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超乎你的想象,关于金刚石热沉片的”光热电”!

发表时间:2022-08-03 10:12作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

你是否想到过有那么一种半导体材料,它不仅在热学与电学中表现出色,而且在光学中依旧能攻克难关?你一定很好奇它到底是何物呢,今天就让我们一起来浅析一下金刚石的“光热电”。

金刚石的“热”

纯净无杂质金刚石的热导率极高。它是目前已知室温热导率最高的固体材料,热导率约为金属铜的5倍。金属热传导是由电子输运实现的,金刚石传热机制与金属传热机制不同,它通过晶格振动传热,用声子流表征,等于晶格振动频率乘以普朗克常量。碳原子很小,原子质量也很小,金刚石结构中的碳原子彼此各向同性地紧密结合在一起,其结果就是碳原子产生振动的量子能量较大,也就是振动频率很高,最大值为40×1012Hz,因此,热导率非常高。其超高的热导率有望在大功率领域实现近乎完美的热耗散,作为热沉材料,金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内,使晶体管设备在工作时能够有效散热。

晶体材料中的热膨胀是指增加温度时原子获得能量,引起晶格振动的振幅增加而导致原子间距增加的现象。由于金刚石是共价键结合的晶体材料,它有比较小的热膨胀系数,室温热膨胀系数(CTE)为0.8×10-6/℃,铜的热膨胀系数为17×10-6/℃,而石墨在面内的(ab轴向)热膨胀系数略为负值。与石墨的热膨胀系数各向异性不同,金刚石的热膨胀系数是各向同性的,且随温度增加而逐渐增加。金刚石的比热和石墨相当,但比许多金属的比热高,和所有其他元素一样,金刚石的比热随温度增加而增加。

图1   金刚石的热学性质



金刚石的“光”

电磁辐射透过材料的特性可用透射率表征,定义为透过材料的辐射功率与入射功率之比,宽谱透射率是金刚石的优异光学特性之一。金刚石的高透射率与其宽禁带性质和共价键的强度有关。实际上,金刚石是最宽的电磁波带通材料,其透光性覆盖X射线到微波和毫米波波段。

图2   a(左)和b(右)分别显示了金刚石的紫外光可见光区的透射谱和红外光区的透射谱

由图:纯净金刚石材料只有两个本征吸收带:一个位于短波长光谱区的紫外吸收带,吸收边为230nm,它对应于电子的带间跃迁;另一个位于红外1400~2350cm-1的吸收带,红外吸收带与声子相关。波长长于7mm的红外区,吸收为零,也包括8~14mm的大气窗口。由此可见,纯净无缺陷的金刚石材料是理想的光学材料,然而实际的金刚石材料内部或多或少地存在杂质和晶格缺陷,这将会产生附加的吸收带,它们位于红外吸收区。

金刚石最典型的发光特性是可见荧光,主要在蓝光和绿光区,这些荧光来自带隙中的电子态跃迁产生的电磁辐射,带隙中的这些电子态是由杂质和晶格缺陷形成的。另外,金刚石的阴极荧光称为A带荧光,谱峰位于2.4~2.8eV,对应于绿光和蓝紫色光。

图3   金刚石的光学性质

 

金刚石的“电”

金刚石具有优良的半导体特性,是极具应用前景的宽带半导体材料之一,它具有间接带隙,禁带宽度为5.47eV。在加热时,由于热激发,半导体中的电子从价带跃迁到导带的概率增加,半导体的导电性也增加。带隙越宽,电子跃迁概率越小,这就是为什么宽禁带半导体在高温下获得应用的原因。

由于共价键的强度高,难以把电子从价带激发到导带,纯净无晶格缺陷的金刚石是最好的绝缘固体材料体之一。纯净无晶格缺陷的金刚石的电阻率大于10e18Ω·cm。杂质的存在可以极大地改变其中的电子态,若夹杂sp2价键(石墨),将大大地降低其电阻率,使得材料不再能用于制造电子器件。和其他硅、锗半导体相比,金刚石的介电常数很小,只有5.7,但与有机聚合物和玻璃相比,介电常数却不算低。

通过适量掺杂可以把金刚石由室温下的本征半导体转变成非本征半导体,例如掺硼(B),可以获得p型金刚石半导体,掺磷(P)可以获得n型半导体,掺杂可以在高压或CVD生长金刚石中实现,天然IIb型金刚石是掺杂半导体,但是自然界中很稀少,金刚石也有很高的电子迁移率和高的饱和电子迁移率。目前,已在金刚石衬底上利用等离子体CVD制备出的金刚石热沉片薄膜的室温电子和空穴迁移率分别达到4500cm2/(V·s)和3800cm2/(V·s)。

图4 金刚石的电学特性

化合积电是一家国内知名的专注于金刚石的生产和研发的半导体公司,其生产的晶圆级金刚石Ra<1nm,金刚石热沉片热导率1000-2000W/m.k,更有GaN on diamond 、Diamond on GaN、金刚石基氮化铝等产品,其标准得到行业的高度认可。且采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


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