电子设备功率密度的增加,热管理成为了一个日益严峻的挑战。金刚石因其卓越的热导率而备受关注。以下将探讨金刚石与GaN功率器件的键合技术,以及这一结合如何为半导体行业带来革命性的进步。
随着5G通信、电动汽车和高性能计算等领域的快速发展,电子设备的功率密度不断提升,传统的散热材料已难以满足日益增长的散热要求,热管理成为了一个关键技术问题。金刚石,以其无与伦比的热导率和电绝缘特性,为解决这一问题提供了理想的材料选择。
作为自然界中热导率最高的材料,金刚石的热导率高达2200W/m・K,是SiC材料的4倍,Si材料的13倍。这一特性使得金刚石在散热方面具有得天独厚的优势,为半导体行业的热管理提供了新的解决方案。
GaN功率器件与金刚石的结合
氮化镓(GaN)功率器件因其高效率和高频率特性,在电力电子领域发展迅速。然而,GaN器件在工作时产生的热量若不能有效管理,将严重影响其性能和寿命。金刚石作为衬底材料,可以有效提升GaN器件的热管理能力。关键在于如何实现两者的高效键合。
金刚石与GaN的键合技术主要有以下几种方式:
1. 直接键合
高温高压键合(HPHT):在这种方法中,金刚石和GaN的表面在高温高压条件下直接接触。通过高温(通常在1000°C以上)和高压(几GPa)的环境,使得两个材料的表面原子之间形成强健的化学键。这种方法要求界面非常清洁,以避免任何污染物影响键合质量。
化学气相沉积(CVD):利用CVD技术在GaN表面直接生长金刚石薄膜。这种方法可以在较低的温度和压力下进行,但需要精确控制生长条件。
2. 间接键合
使用中间层材料:在金刚石和GaN之间引入一层中间材料,如氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)或其他合适的材料。中间层可以作为缓冲层,减少由于热膨胀系数不匹配引起的应力。键合过程可能包括以下步骤:
中间层的沉积:通过CVD、物理气相沉积(PVD)或其他技术。
界面处理:确保中间层与金刚石和GaN都有良好的粘附性。
热处理:通过加热使中间层与金刚石和GaN之间形成化学键。
粘接剂键合:使用特殊的粘接剂将金刚石和GaN粘合在一起。这种方法简单易行,但可能不如直接键合的热导性能好。
3. 激光键合:利用激光束在金刚石和GaN的接触区域产生局部高温,从而实现键合。激光键合可以在局部区域实现高温,而不影响整个材料,减少热损伤。
4. 离子键合:通过离子注入技术在金刚石和GaN表面引入离子,形成共价键或其他类型的化学键。这种方法可以在较低的温度下进行,但可能需要对注入后的表面进行额外的处理。
在所有这些键合方法中,关键挑战包括确保界面质量、减少缺陷、控制热膨胀系数不匹配引起的应力,以及保持材料结构的完整性。这些技术的选择和应用取决于具体的应用需求、成本考虑和可用的加工设备。
目前,许多国内外的公司都在积极投入金刚石与 GaN 键合技术的研究和开发。例如国内金刚石半导体材料领先企业化合积电,基于金刚石衬底上外延生长氮化镓 在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构中,化合积电自主研发生产的金刚石基氮化铝(AIN on Diamond),作为金刚石与氮化镓的缓冲层, 具有均匀性好,可简化外延生长步骤,降低成本,减小异质衬底与外延层的晶格失配性等独特显著优势,为实现高质量GaN/AlGaN材料 的外延制备提供保障。
化合积电化合积电拥有MPCVD、PVD、MOCVD等国际一流设备,是国内率先实现MPCVD规模化量产多晶金刚石的厂家,拥有先进的金刚石制备和加工工艺,自主研发的产品达国际领先水平。目前已有成熟产品:金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等,其中金刚石热沉片热导率100-220W/(m·k),晶圆级金刚石表面粗糙度Ra<1nm,目前已应用于航空航天、高功率半导体激光器、光通信、芯片散热、核聚变等领域。