金刚石沉积工艺的先进热管理技术

以GaN为代表的新一代半导体材料具有宽禁带、高电子饱和速率、高击穿场强等优异的电学性能，使得射频、电力电子器件有了具备更高功率能力的可能。随着功率器件工作温度的升高，功率器件的失效概率呈指数级增长。由此可见，传统GaN射频器件封装带来的低散热能力严重影响了射频器件的电学性能和工作可靠性。具有极高热导率的金刚石已成为提升器件散热能力的重要基板。

传统GaN器件的散热路径如图1（a）所示，热点位于栅极下方，其热流会顺利获得GaN外延层、氮化铝（AlN）成核层等多个层间材料扩散至基底中。热源与金刚石集成后，凭借金刚石的超高热导率，热源产生的热量会迅速地横向扩散在基板内，提升了热源与外界的有效换热面积，从而可以极大地提升系统的换热能力。金刚石基GaN器件的散热路径如图1（b）所示。此外，为了进一步加强器件的热管理性能，也有学者将嵌入式微流体冷却技术的高换热能力与金刚石的高导热能力结合起来。带微流体的金刚石基GaN器件的散热路径如图1（c）所示，在器件的金刚石衬底上加工微通道，将冷却工质引入至近结区，以期实现更强的热管理能力。

图1 GaN基HEMT器件的散热路径

2017年，英国Bristol大学比较了GaN/SiC直接生长与分别使用SiN或AlN作为GaN和金刚石的阻挡层3种加工手段产生的界面热阻，结果如图2所示。以SiC衬底上500nm厚的GaN层为衬底，在GaN上生长了5 nm厚的非晶态Si N或Al N阻挡层，在氢气、氩气、甲烷（体积分数为0.1%～1%）的气体氛围中，利用MPCVD技术，在微波输入功率为2000～2500 W的工况下，淀积了厚度约为1μm的金刚石层。由于金刚石/SiN/GaN样品产生了粗糙度极低的光滑界面，该金刚石基GaN具有已知报道的最低界面热阻（TBR），约为6.5m²· K/GW。

图2 阻挡层分别为Si N、Al N以及无阻挡层的界面热阻比较

2020年，德克萨斯州立大学的AHMED等使用侧向外延生长工艺（ELO）成功从图形化的金刚石开口中外延生长出陆续在的GaN薄膜，实现金刚石基GaN结构，其过程和结果如图3所示。该课题组第一时间在Si N上选择性地沉积金刚石纳米晶粒，使用刻蚀方法使SiN开口以暴露出GaN层，利用该层GaN的晶体结构，使用MOCVD工艺在其上方外延生长成质量良好的器件层。

图3 侧向外延生长制备的金刚石基GaN结构

金刚石过孔是由美国Northrop Grumman AS公司开发的一种可以改善基底原本散热性能的方法。研究人员在热源下方对应的Si C衬底背面刻蚀深孔，然后顺利获得MPCVD技术将金刚石的颗粒沉积在孔中，图4为选择性生长的金刚石孔SEM图，之后使用基于氧的等离子体刻蚀工艺去除其他区域的金刚石薄膜，顺利获得这种方式不断增加孔中的金刚石厚度。该方法可以有效减小金刚石在GaN上生长的热应力不匹配问题，减小晶圆的翘曲，使热点局部微米级范围内的基底热导率达到1500 W/(m·K)，界面热阻小于10m²·K/GW。

图4 选择性生长的金刚石孔SEM图

金刚石材料不仅可以作为衬底材料降低GaN器件的结温，由于其具有优良的绝缘特性，金刚石还可以作为散热钝化层直接淀积在器件顶部以增强热点顶部的热扩散，同样可以起到增大换热面积的作用。2012年，美国实验室成功在GaN基HEMT顶部制备了高热导率金刚石薄膜以取代热导率较低的Si₃N₄钝化层，器件结构如图5(a）所示。这种工艺第一时间需要使用PECVD技术在器件表面制备50 nm的SiO₂作为NCD的阻挡层，之后在750℃下以100 nm/h的速度生长0.5μm的NCD，图5(b)为其SEM图。经过实测，NCD散热钝化层的散热性能比SiN钝化层更好，使器件的工作温度下降了20%。

图5 顶部集成金刚石的GaN基HEMT

日本团队在制备好的金刚石散热钝化层器件的背面键合了高导热金刚石散热衬底，制作了金刚石-GaN-金刚石的双层金刚石散热结构，传统封装结构、单层金刚石散热钝化层结构与双层金刚石散热结构对比如图6所示。经过测试，这种双层金刚石方案具有优异的散热性能，热点结温较传统封装下降了77%。

图6 传统封装结构、单层金刚石散热钝化层结构与双层金刚石散热结构对比

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