随着AI终端行业的快速发展，所需的数据处理量和计算能力急剧增加，高速光模块，高功率激光器，激光投影等大功率器件的应用越来越多，这不仅带来了高能量的消耗，同时也产生各种发热、散热的现实问题，影响器件的使用性能，甚至导致器件失效。因此需要导热性能较高的散热材料将积累的热量有效导出，而金刚石是目前自然界具有最高热导率的材料，约为1,500-2,200 W/mK，成为了功率半导体器件中散热材料的理想选择。

来源：碳索芯材

目前金刚石在半导体功率器件的散热应用主要有三种：一是金刚石钝化散热技术，即直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；二是作为衬底散热，主要有GaN底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延GaN和键合技术，三是作为封装热沉，在其中构筑微通道结构。

一、金刚石衬底

以单晶金刚石作为外延生长衬底的电子器件，相比现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源，可以大幅减小转换器件尺寸，且能提供优异的散热效果，解决集成电路散热瓶颈问题，实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。当前，单晶金刚石基器件主要通过三种方式制得：一是直接在金刚石衬底上沉积半导体材料，二是与半导体材料进行键合，三是基于外延层生长金刚石技术。

1、金刚石衬底沉积异质外延

直接在金刚石衬底上通过沉积Si、SiC和GaN等半导体，然后在此外延层上利用刻蚀等手段来制备半导体器件，是一种理想且直观的方式，然而，GaN和AlN等氮化物半导体为六方纤锌矿结构，与金刚石的结构存在较大的差异，晶格不匹配较严重，经常导致外延层材料质量不佳，并导致电学性能差，同时金刚石和GaN等的热膨胀系数也相差较大，导致外延层生长后，样品冷却时会产生巨大的拉伸应变，这将导致外延层开裂，因此该方法要进入应用阶段尚需较长时间。

2、低温键合技术

该技术是先利用外延生长工艺在其他衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，并与金刚石衬底进行低温键合。由于半导体外延层和金刚石热沉基板因可在键合前独立制备，既可精简金刚石基半导体器件工艺，也避免了直接外延生长需要的高温，降低了热膨胀失配导致的高密度位错，大幅提高了半导体器件的散热能力。

目前多晶金刚石与Si、GaN、Ga2O3等的室温键合已经通过表面活化键合（SAB）技术实现，此外，还有共晶键合、瞬态液相(TLP)键合、阳极键合、亲水键合、混合键合等常用键合方法。但是利用这种方式实现金刚石与半导体材料的键合对于金刚石热沉基板和半导体外延层的平整度、表面粗糙度要求较高，同时还由于直接键合的方式需要施加较大的压力，存在良率较低的问题。

表面活化键合的基本流程

3、基于外延层生长金刚石衬底

于外延层背面直接生长金刚石的方法也是在其他衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，不过与低温键合技术不同，其去除衬底及部分缓冲层后，会信在外延层背面首先沉积一层介电层用于保护GaN外延层，而后再沉积金刚石衬底（厚度~100μm），因此相较于键合技术该技术可以使界面热阻降到更低，在制备金刚石基半导体器件方面具有极大潜力，但由于涉及到高温沉积，对热失配控制是重大挑战。

使用衬底移除工艺在外延GaN上直接生长金刚石的流程（来源：参考文献3）

二、金刚石微通道热沉

高热流密度器件采用金刚石衬底，提升面内均热效果，再结合微流道，可以通过周期性改善流动混合以及通过产生二次流来增加湍流率来提高传热系数。将热量更快导出，而带来更高的散热效率。长期以来，由于金刚石硬度较高，难以加工，一直以来金刚石微流道散热研究进展都较为缓慢，不过目前随着飞秒激光技术的飞速发展，已经能够通过调节激光能量和写入速度，实现更快更方便地在单晶金刚石中加工三维结构，这将在高能数据中心等超高热流密度应用场景中有极大的发展前景。

金刚石微通道结构（来源：参考文献4）

三、金刚石膜钝化层

为保护半导体表面免受外界环境（如化学污染或湿气）的侵害，保护功能层不受影响，往往需要在芯片表面覆盖一层致密性好、隔离和绝缘能力强的钝化层。目前钝化层通常是由氮化硅制成，其结构致密、硬度大、介电强度高、且化学稳定性好，几乎不与任何酸类反应，但由于热导率极低，在高功率半导体器件中使用会受到一定的限制。若采用纳米金刚石薄膜替换原有源区的传统钝化层，直接淀积在器件顶部，则可以增强热点顶部的热扩散，对器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能，散热效率更高。

具有金刚石钝化层的GaN HEMTs结构

目前金刚石钝化层通常使用异质外延的方法制备，如MPCVD、HFCVD等，这些方法都需要高温、富氢等离子体的条件，半导体材料会发生严重的刻蚀、分解，且金刚石和GaN等半导体材料之间还存在热膨胀失配的问题，因此导致在半导体器件直接沉积金刚石需要低温条件并且需要耐氢设计。在耐氢保护层表面，金刚石需要均匀高密度形核，同时需要高定向排列，以提升金刚石钝化层整体导热能力。

参考文献：

代文,林正得,易剑.金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势[J].集成技术.

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