氮化镓（GaN）半导体具有高的电子饱和速率，高的击穿场强，在通信卫星、5G通信、雷达等众多高功率、高频场景中展现出巨大的应用潜力。但近年来，随着GaN过滤器件功率密度及频率的提高，热堆积问题日益严峻，严重限制了其性能与可靠性。金刚石作为目前已知热导率（>2000W/m·K）最高的材料，被视为GaN的理想散热材料，可以有效提升器件的散热能力，从而提高其功率密度和可靠性。然而，由于金刚石是立方晶体结构，不同于GaN的纤锌矿晶体结构，两者之间存在着较大的晶格失配和热膨胀系数差异，不仅易使GaN外延层发生剥离或破裂，还会导致两者界面处存在较高的热阻，严重阻碍了热量的传递。因此，如何解决GaN/金刚石之间的界面热阻问题，成为当前研究的热点和难点。 

金刚石如何实现与GaN结合？

以金刚石作为散热衬底解决GaNHEMT器件散热问题的技术途径有三种，分别为金刚石衬底上GaN外延、金刚石与GaN的直接键合及 GaN异质外延金刚石技术 。其中，金刚石衬底上GaN外延是在金刚石上直接使用分子束外延（MBE）、MOCVD等方法沉积GaN层，为一种理想且直观的方式，然而由于两者之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数差异问题，经常导致外延层材料质量不佳，样品冷却时会产生巨大的拉伸应变，因此该方法要进入应用阶段尚需较长时间。

GaN异质外延金刚石技术是在去除GaN原衬底及部分缓冲层后，为避免金刚生长所需的高温、高氢等离子体密度环境对GaN造成破坏，发生严重的刻蚀、分解、翘曲、破裂等现象，需要先在GaN背面沉积一层介电层用于保护GaN，而后再沉积金刚石层。不过，由于金刚石高的表面能，在GaN表面难以直接成核，通常需要在GaN表面进行人造成核，人造成核结束以后，在金刚石生长初期，通过生长工艺的控制实现GaN表面金刚石的全覆盖，并进一步调节金刚石生长工艺，进入金刚石正常生长阶段。这种进入金刚石正常生长之前的金刚石成核层热导率较低，界面热阻较大。

GaN异质外延金刚石基本流程（参考文献：3）

直接键合是先利用外延生长工艺在其他衬底上沉积GaN半导体材料，然后去除衬底，并与金刚石衬底进行键合。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。不过，同样由于金刚石的高表面能，往往需要通过等离子体轰击GaN与金刚石的表面，使它们暴露出新的化学键，或在两者表面之间引入非晶的介质层，再通过等离子体轰击，才能较好地实现GaN与金刚石的键合。而这两种方式不可避免地产生或引入的纳米非晶层，都会导致两者界面热阻升高。

GaN和金刚石直接键合基本流程（参考文献：3）

如何降低两者之间的界面热阻？

1、介质层的选择

介质层材料选择的过程中需要充分考虑介质层材料的热导率、介质层材料在等离子体环境中的稳定性、介质层材料的热膨胀。此外，在介质层材料选定以后还需要充分考虑介质层材料的沉积方法、沉积厚度等因素对介质层质量的影响。目前常用的介质层材料主要有硅、氮化硅及氮化铝介质层。

硅是目前GaN与金刚石键合过程中最为常用的介质层，可采用磁控溅射等方式在GaN表面进行硅介质层的沉积。由于处于碳环境中，硅介质层会转变为碳化硅，使碳化硅与金刚石之间形成较强的化学键，从而提高GaN与金刚石之间的结合力。值得注意的是，为了实现GaN与硅之间的有效结合，硅介质层的厚度需要有效的控制，硅介质层过薄，无法有效缓解GaN与金刚石之间的应力，硅介质层过厚会导致硅无法完全转化为碳化硅，从而无法有效提升GaN与硅之间的结合力。

除了硅作为介质层，氮化铝与氮化硅也是金刚石和GaN之间常采用的介质层材料。虽然它们为无定形状态，热导率较低，但能够有效避免GaN被等离子体的刻蚀而导致界面粗糙度增加的问题，最终减少两者之间的空隙而导致的声子散射现象，能够很好地降低界面热阻，尤其是氮化硅介质层，由于能实现更均匀的沉积，相比热导率更高的氮化铝，甚至仍能更有效地降低界面热阻。同时，氮化硅的声子态 密度范围很宽，覆盖了 GaN 金刚石材料，可以使 GaN 与金刚石离散的声子形成连续态，有利于声子的传输。值得一提的是，早在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/金刚石直接生长、分别使用SiN或AlN作为GaN和金刚石的介质层3种加工手段的界面热阻，其中以SiN作为介质层的金刚石基GaN测得了目前其已知报道的最低界面热阻（TBR，约6.5 m2·K/GW）。

（1）SiN介质层；（2）AlN介质层；（3）无介质层的GaN/金刚石界面 TEM 照片

2、金刚石成核层的控制

GaN 底部进行金刚石直接生长过程中，金刚石的成核层的热导率远低于金刚石体材料热导率，并受成核方式的影响。

目前，金刚石成核层的成核方式有纳米颗粒成核、超声成核、偏压成核等，其中超声成核难以 获得高均匀性的金刚石成核层，金刚石成核层往往存在团聚现象，导致金刚石厚膜生长过程中局部区域出现 空洞，造成界面热阻的上升，而偏压成核则会对介质层造成一定 程度的破坏，导致介质层表面质量的下降，从而影响界面热阻。因此目前常采用金刚石纳米颗粒成核技术，该方法通常采用聚合物静电吸 附的方式辅助成核。

在纳米颗粒成核技术中，金刚石纳米颗粒的尺寸、成核密度会对界面热阻产生显著的影响。大尺寸的金刚石纳米颗粒，成核密度低，容易在 GaN 与金刚石的界面处出现大量的空洞，而小尺寸的金刚石纳米颗粒则反之，可以使GaN 与 金刚石结合紧密，降低界面热阻。除此之外，为了降低成本，也可采用用纳米与微米尺寸金刚石颗粒结合进行聚合物辅助金刚石人造成核。即首先在 GaN 表面利用微米尺寸金刚石颗粒形成金刚石成核层，然后进一步以金刚石纳米颗粒填充金 刚石成核层的间隙位置，通过这种方式能够实现无缝隙的金刚石人造成核层，有效降低界面热阻。

100 nm 金刚石颗粒成核生长金刚石后 GaN/金刚石界面图像（参考文献：4）

100 nm 金刚石颗粒成核生长金刚石后 GaN/金刚石界面图像（参考文献：4）

小结

金刚石材料被视为高功率GaN器件的理想散热材料，目前常采用直接键合或者GaN上异质外延金刚石的方式使两者结合，但由于两者存在晶格失配和热膨胀系数差异，使得界面热阻问题成为了它们应用的难题。在上述两种结合技术中，为了保护GaN器件，并提升两者结合强度，不可避免地需要引入非晶的介质层，同时在GaN异质外延金刚石技术中，由于金刚石的高表面能，还需要在GaN表面进行人造成核。而介质层和成核层都会对界面热阻造成影响，因此选择合适介质层，并对成核过程进行合理控制，目前，硅、氮化硅、氮化铝等材料是金刚石基GaND的常用介质层材料，而在对成核层的控制上则采用纳米颗粒成核技术，能够使GaN 与金刚石结合紧密，降低界面热阻。

参考文献：

1、兰飞飞,刘莎莎,房诗舒,等.金刚石基GaN界面热阻控制研究进展[J].人工晶体学报.

2、杜建宇,唐睿,张晓宇,等.基于金刚石的先进热管理技术研究进展[J].电子与封装.

3、吴海平,安康,许光宇,等.金刚石/GaN异质外延与键合技术研究进展[J].表面技术

4、.LIU D，FＲANCIS D，FAILI F，et al． Impact of diamond seeding on the microstructural properties and thermal stability of GaN-on-diamond wafers for high-power electronic devices［J］． Scripta Materialia．

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