金刚石具有的超高热导率使其成为了理想的导热基板，然而，受制于金刚石的超高硬度、高化学惰性、热膨胀系数等性质，金刚石热扩散衬底的集成工艺和金刚石微通道加工工艺都具有较大难度。对于金刚石基 GaN 技术的研究途径之一是基于沉积生长工艺，在 GaN 器件上生长金刚石材质或是在金刚石上外延生长 GaN 器件层，以完成热扩散层的集成。本文介绍了四种基于沉积工艺的金刚石基 GaN 集成方法。
1. GaN 基底生长金刚石技术
2014 年，美国 Element 公司（原 Group4 Labs）的 BABIC 等开发了直接在外延生长的 GaN 基片上生长金刚石的工艺。首先在高阻 Si 衬底上生长 AlGaN/GaN 的器件层，由于 GaN 上直接生长金刚石通常需要富氢环境（氢的体积分数为 95%~99%）和较高的生长温度（700 ℃以上），此时 GaN 晶圆受到刻蚀，导致在 GaN-金刚石界面形成空洞和缺陷，进而增加了额外的热阻。因此，需要一层介质来保护 GaN 外延层。随后晶圆被倒装安装在临时处理片上。之后再去除晶圆下方的 Si 和一些氮化物过渡层，并在暴露的 GaN 缓冲层上沉积 50 nm 的介电层，使用热灯丝化学气相沉积（HFCVD）工艺在其上方生长 100 μm 的金刚石， 最后从临时处理片上取下金刚石并去除氮化硅保护层，使用衬底移除的工艺在外延 GaN 上直接生长金刚石的具体流程如图 2 所示。该方法的关键在于金刚石的生长质量，多晶金刚石通常以晶柱的方式生长，在成核的表面迅速形成具有较小尺寸的晶粒。由于声子在晶界处的散射和吸收，晶核形成过程中的大量晶界无序或错乱的现象将对导热性能产生较大的影响。因此， 在界面热阻没有公认理论模型的情况下，必须通过实验来测定不同生长工艺生长的金刚石产生的界面热阻值。
图 2 使用衬底移除工艺在外延 GaN 上直接生长金刚石的流程
2017 年，英国 Bristol 大学设备热成像与可靠性中心（CDTR）的 ZHOU 等比较了 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 3 所示。以 SiC 衬底上 500 nm 厚的 GaN 层为衬底，在 GaN 上生 长了 5 nm 厚的非晶态 SiN 或 AlN 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 微波等离子体化学气相沉积技术（MPCVD），在微波输入功率为 2000~2500 W 的工况下，淀积了厚度约 为 1 μm 的多晶金刚石层。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 6.5 m·2 K/GW。
图 3 阻挡层分别为 SiN、AlN 以及无阻挡层的界面热阻比较
2. 金刚石基底生长 GaN 技术
金刚石基 GaN 结构的制备还可以通过在金刚石 基底上生长 GaN 来实现。用于加工器件的 GaN 层需要具有足够高的二维电子气（2DEG）迁移率和面载流子密度，这要求外延生长的 GaN 层需要具有良好的晶体取向一致性、低的位错密度、尽可能少且小的表面裂纹以及较低的表面粗糙度。但是 GaN 和金刚石的固有材料属性使外延生长工艺难度较大：①金刚石与 GaN 有较大的晶格失配度（约 13 %），这容易导致外延生长的 GaN 具有较大的位错密度，晶体质量不佳；②2 种材料间的热膨胀系数（CTE）差别较大，金刚石的CTE约为 0.8×10-6 K-1 ，而 GaN 不同方向的 CTE αa=5.6×10-6 K-1 ，αc=3.2×10-6 K-1 ，CTE 失配将产 生严重的界面热应力，可能导致 GaN 外延层的开裂、 脱落；③当外延生长衬底为多晶金刚石时，GaN 与衬底之间没有固定的晶格外延关系，外延生长会产生多个不同取向的晶畴，得到连续的 GaN 晶体会更困难。综上所述，由于材料的特点，相比在 GaN 基底上生长金刚石，在金刚石基底上生长高质量 GaN 需要克服更多的困难，因此近年来的相关研究较少。
早在 2003 年，HAGEMAN 等使用金属有机物化学气相沉积工艺（MOCVD），利用 AlN 作为形核层， 在(110)方向的单晶金刚石上沉积初始 GaN 层后，再通过氢化物气相外延工艺（HVPE）使 GaN 晶粒长大， 从而在金刚石上生长了厚度超过 100 μm 的多晶 GaN 层。这是最早关于金刚石上外延生长 GaN 的报道。后续十几年，各种在金刚石上外延生长 GaN 的方法被不 断探索，为了避免 GaN 晶体的高度无序，保证 GaN 层的电学性能，通常需要一个 Si (111)层或 SixN 层作为外延生长的介质层，但这种低热导率的介质层也阻碍了热量的传递，并且介质层的制备也增加了工艺的复杂度。
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连续的 GaN 薄膜，实现金刚石基GaN 结构，其过程和结果如图 4 所示。该课题组首先在 SiN 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 4 侧向外延生长制备的金刚石基 GaN 结构
3. 金刚石过孔
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。由于直接在 SiC 基 GaN 的晶圆上整面生长金刚石会产生热应力问题，高温下多层材料的热膨胀系数不匹配会导致晶圆弯曲甚至破裂，极大地增加了正面光刻和正面器件的处理难度，降低了器件可靠性。于是，研究人员在热源下方对应的 SiC 衬底背面刻蚀深孔，然后通过 MPCVD 技术将金刚石的颗粒沉积在孔中，图 5 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，通过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 1 500 W/ (m·K )，界面热阻小于10 m·2 K/GW。
图 5 选择性生长的金刚石孔 SEM 图
4. 金刚石散热钝化层技术
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，多晶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，美国海军研究实验室（NRL）的 TADJER 等成功在 GaN 基 HEMT 顶部制备了高热导率纳米金刚石薄膜（NCD）以取代热导率较低的 Si3N4 钝化层，器件结构如图 6（a）所示。这种工艺首先需要使用等离子增强化学气相沉积（PECVD）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 0.5 μm 的 NCD，图 6(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 6 顶部集成金刚石的 GaN 基 HEMT
作为一直专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售，致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料公司，化合积电采用MPCVD法制备高质量金刚石热沉片，并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法。核心产品有多晶金刚石（晶圆级金刚石热沉片、金刚石基氮化镓）、单晶金刚石（热学级、光学级、电子级）和氮化铝薄膜（金刚石基氮化铝、硅基氮化铝和蓝宝石基氮化铝）等，产品可应用于5G基站、激光器、医疗器械、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
