解决金刚石半导体产业化进程中的关键难题

金刚石基GaN散热

第三代半导体产业是现代社会发展的基石，是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。在光电子、大功率器件和高频微波器件等应用方面有着广阔的前景，其中，GaN具有禁带宽度大(室温下为3.39eV)､击穿电场强度高(3.3MV/cm)､饱和电子速度大(2.5×107cm/s)､热导率高(1.5W·cm-1·K-1)、抗辐射能力强以及易于形成异质结构等优异性能等特点，非常适于研制高频､大功率微波､毫米波器件和电路，在 5G 通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值。但热效应却严重制约其性能。

金刚石作为自然界中热导率最高的材料，可达2000W/mK，采用高导热率的金刚石作为GaN基功率器件的散热衬底或者热沉有望改善其“自热效应”，实现高频､高功率的应用的不二之选，可以实现非常接近芯片的有效导热面。然而，将这两种东西结合在一起是很难的。金刚石基GaN器件的技术难点在于金刚石和GaN之间的界面热阻、晶格失配、热应力、CVD生长的纳米晶体金刚石的低导热。CVD生长一般在七八百摄氏度，因为GaN和金刚石的热膨胀系数的差异，当器件冷却到常温时，界面处会有很大的热应力从而使器件破裂。在GaN上面生长金刚石需要一层保护层，这层额外的保护层增加了界面热阻，大大降低了金刚石的散热功效。并且，CVD生长的金刚石在界面附近是纳米晶体，导热系数非常低，只有几十W/m·K。CVD生长几个微米厚之后，多晶体金刚石导热系数才会升高到接近体材料，这一层低质量的金刚石也会阻碍GaN器件散热。因此，如何将金刚石作为GaN基功率器件的热沉或衬底，成为目前研究热点。目前已经报道了多种技术形式，其中主要有多晶金刚石衬底GaN散热技术、单晶金刚石衬底散热技术、高导热金刚石钝化层散热技术等。

最新专利成果

10月9日，黑龙江省政府印发《黑龙江省人民政府关于第一届黑龙江省专利奖授奖的决定》(黑政发〔2022〕24号)，授予“一种GaN与金刚石复合散热结构的制备方法”等10项专利黑龙江省专利金奖（专利号：ZL201710787686.7）。此专利是哈尔滨工业大学红外薄膜与晶体团队的研究成果。

本专利针对半导体“热点”问题，采用高导热高绝缘金刚石散热，解决了金刚石浸润性差难以直接与半导体晶圆连接的问题。克服了现有技术中GaN和金刚石有效结合的技术难题，保证了GaN的电性能的同时增加了金刚石与基底的结合力，显著降低了GaN器件热点温度，提升GaN表面均温性，实现了高导热金刚石增强GaN散热。迎合当前第三代半导体发展契机，可实现产业化的规模生产和技术推广，应用于GaN、SiC半导体器件如光电子器件（如高功率二极管）、电力电子器件（如新能源汽车中IGBT）、微波射频器件芯片（如5G通讯基站）中提升器件运行效率与稳定性。该专利打破了国际技术封锁，实现器件热流的高效疏散，提升器件性能、寿命及稳定性，助力第三代半导体的推广应用，为我国半导体产业升级奠定基础。

哈工大团队在金刚石领域的研究

朱嘉琦教授团队在攻克了国产化微波等离子体化学气相沉积装备、大尺寸高导热金刚石生长工艺以及金刚石在高端应用领域的多项难题后，建立了包含装备、工艺、应用三大板块百余项专利组成的专利群，同时把控专利质量，实现了多分支自主可控。

（一）金刚石晶体生长工艺及装备

制备设备是晶体生长的基础，而金刚石生长装备却被国外“瓦森纳协定”封锁，该课题组从零开始，完成了微波源适配、腔体设计优化、系统集成等工作，实现大面积高密度均匀自持微波等离子体稳定激发，研制出功率频率稳定、能量密度高、长时可靠运行等金刚石晶体微波CVD装备。实现了自研生长装备从无到有的发展，填补了国内空白，通过新产品鉴定，部分指标达国际领先，对我国人造金刚石产业升级及下一代半导体领域实现弯道超车有着重要作用。

同时建立了匹配设备的金刚石生长工艺体系，实现金刚石籽晶缺陷原位修复，发明功率-气压-温度耦合调控强化沉积等离子体的方法，提出大尺寸金刚石同质连接控温及三维模板单晶有序结构合成的方法。采用自研设备配套晶体生长工艺，获得超高热导率高品质大厚度金刚石单晶，热导率突破2400W/m·K，协同实现了金刚石高品质及高速率两个关键要素。

其中核心专利“一种同质外延生长单晶金刚石的籽晶衬底真空钎焊方法”解决了金刚石生长过程中的行业共性难题，降低成本，推进了金刚石产业化进程，获第23届中国专利金奖。

（二）金刚石的功能化应用

在应用方面，该课题组解决了限制金刚石材料在应用过程中的诸多难题，例如，实现了第三代半导体材料与金刚石的有效结合；在氮化镓器件表面低温原位合成大面积连续均匀高导热金刚石钝化层；发明了大面积粗糙界面的低温高强低热阻键合技术，实现了器件到组件级跨尺度的快速连接方法，通过了温循、高低温和热阻等应用验证，为金刚石晶圆级散热应用奠定基础。主要成果归纳为以下2个方面：

（1）以“一种GaN与金刚石复合散热结构的制备方法”专利为基础，该团队将金刚石带入半导体散热、探测器等高端应用领域，打破西方国家“瓦森纳协议”对于“发展和生产电子器件用金刚石衬底或薄膜技术”的封锁，是我国突破“卡脖子”技术的关键一环。

（2）同时，针对金刚石半导体特性，在金刚石器件方面，该团队提出了多种新理论及方法，优化了金刚石界面载流子传输能带，发现了光原位触发金刚石雪崩探测现象，实现了增益因子~1500的非PN结金刚石雪崩探测器、高信噪比自供能式日盲紫外金刚石肖特基器件、高迁移率硅终端二维空穴气、色心荧光强度调控等器件与功能，其中雪崩探测阵列通过了合作单位的应用验证测试，为金刚石器件在深空探测，高超声速预警等方面的应用奠定了基础。

另外，该课题组基于金刚石拥有耐高电压、抗辐射、耐高温等极端的半导体属性，研发了开路电压高达1.6 V的同位素电池、工作温度高达633 K的金刚石逻辑与门等极端使役环境特种芯片，相关研究发表在Science、Advanced materials、Carbon等国际顶级期刊。

（三）金刚石半导体连接技术

该课题组发明了金属扩散，纳米烧结，混合键合等半导体工艺兼容的金刚石半导体连接技术，基于仿生拓扑结构创新设计了金刚石微纳结构大幅提高组件散热效能，实现了超高散热能力复合衬底可控制备。

来源：DT半导体