设为首页 | 收藏本站

研究前沿|金刚石的散热研究

发表时间:2022-09-09 09:15作者:化合积电网址:https://www.csmc-semi.com/

金刚石是金刚石材料体系中热导率最高的,这与其晶体结构密切相关,碳原子由高强度sp 3共价键相连,是典型的共价键晶体,主要通过晶格振动即声子导热,而晶体热导率由热容、声子平均自由程、声子速度决定。金刚石晶格非谐振动弱,声子平均自由程长;Debye 温度高,声子速度快,因此金刚石热导率极高。而在实际应用中热阻也是与热导率同样重要的参数,代表着热量传递过程中受到的阻碍,是热导的倒数。绝对热阻是单位时间内当有单位热量通过物体时,物体两端的温度差,而由于 2 种材料连接的界面晶格中断,热载流子无法全部导致产生温差形成的热阻即为界面热阻。哈尔滨工业大学近年来与俄罗斯科学院合作,制备单晶金刚石热导率达 2400 W/m·K,并对 mosaic拼接单晶金刚石的界面热阻进行了分析(图 1)。单晶金刚石用作散热主要有 2 种方式,一种是直接用作替代外延衬底,原位生长材料制备器件,通过器件有源区与金刚石紧密接触利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中;另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构,利用流体将内部热量带出,达到降温的目的。


图1 金刚石热导率随温度变化示意图




1.金刚石衬底外延器件

单晶金刚石表面外延器件是随着分子束外延技术(MBE)和金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)的发展而兴起。2009 年,研究人员利用 MBE 方法在单晶金刚石的(111)面异质外延了单晶 GaN,表面粗糙度可达 1.3 nm,光致发光谱测试光学性能良好,开辟了外延 GaN 器件的新道路。次年,在单晶金刚石(111)面通过 AlN 过渡层制备了GaN 粗糙度降低到 0.6 nm,在其表面又制备了高迁移率的Al0.28Ga0.72N/GaN 二维电子气材料,室温电子迁移率可达 750 cm 2 /(V·s),为金刚石衬底器件制备奠定基础。同年,相关专家也制备了迁移率类似的材料体系,以此制作了 0.2 μm 栅长器件,电流密度可达 0.73 A/mm。接着,在 Ib 型金刚石表面同样制作了 3 μm 栅长的金刚石基高电子迁移率晶体管(HEMTs),电流密度 0.22 A/mm,截止频率3 GHz,最高振荡频率 7 GHz,此外,由于金刚石优异的导热性能,器件热阻首次降低到 4.1 K·mm/W,相比传统 SiC 衬底的 7.9 K·mm/W 大大降低,2 W 功率下器件温度降低了 10 ℃。次年,制备栅长0.4 μm HEMT 器件电流密度提升至 0.77 A/mm,首次实现金刚石基 HEMTs 功率输出,1 GHz 时功率密度2.13 W/mm,采用热导率更高的 IIa 型金刚石,将热阻进一步降低至 1.5 K·mm/W。


图2   金刚石(111)面生长 AlGaN/GaN HEMT 示意图



将GaN 纳米线生长于单晶金刚石(111)表面,在不使用催化剂及缓冲层的条件下,实现自组装生长过程,并展现出与当时最先进的Si 基 GaN 纳米线相近的性能,为金刚石与 n 型氮化物的结合应用奠定基础。,在已形成自组装及区域选择性生长 2 种完善的金刚石表面 GaN纳米线制备方法的基础上,完成了 p 型金刚石和 n 型 GaN 纳米线异质二极管的制备,具有良好的整流特性和电致发光特性。2021 年该课题组又完成异质外延单晶金刚石(001)晶面上 GaN 纳米线的制备,推动了大尺寸产业化金刚石基高频高功率器件的应用发展。但是,单晶金刚石基器件仍面临着外延层晶格常数及热膨胀系数差距大,单晶衬底难以大尺寸批量制备,以及成本过高等难题,待异质外延单晶金刚石质量及产能突破后发展潜力巨大。


图3 金刚石及 SiC 基 GaN HEMTs 器件性能对比测试




2.金刚石微通道散热

专家提出了微流道热沉的设计理念,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。高热流密度器件采用金刚石衬底,提升面内均热效果,结合微流道,将热量更快导出,必然将带来更高的散热效率,然而由于金刚石难以加工,一直以来金刚石微流道散热研究进展较为缓慢。随着飞秒激光的发展,利用800 nm 波长的飞秒激光在金刚石表面加工出40 nm宽,500 nm深,长0.3mm的微槽,并且该结构仍然保持原本金刚石成分。2013年,Su 等采用1 026 nm 波长的 Yb:YAG 激光在金刚石表面制备了约 410 nm 深的微流道,证明了单晶金刚石表面微流道制备的可行性,相比于传统聚焦离子束(FIB)和反应离子刻蚀(RIE)方法,激光加工金刚石可以更快更方便地加工三维结构。基于脉冲 Bessel 光束激光加工单晶金刚石,调节激光能量和写入速度,控制了微槽的表面粗糙度等参数,对微通道内部微流体控制提供了极大帮助。



紧接着,采用的金属掩膜过渡生长的方法,在金刚石表面利用金属制备掩膜版,金刚石生长过程中会产生横向外延过程(ELO)覆盖金属掩膜,从而形成金刚石槽道。Fu 等采用金属钨和 ELO 过程制备微流道并通水实验,微流道截面尺寸 10 μm×1 μm,但由于 ELO 生长表面闭合过程,微流道截面呈 T 字形,影响其流动特性。次年,结合电感耦合等离子体(ICP)方法,增加了金刚石微流道深度,可达 20 μm 以上,为金刚石微通道的应用更进一步。崔健磊教授团队,采用纳秒、飞秒激光对多晶金刚石的加工进行了深入研究,系统研究了激光能量、扫描速率、扫描次数、焦点位置等参量及其优化工艺参数对金刚石微槽尺寸的影响规律,对激光烧蚀阈值进行了预测及实验,加工出侧壁锥度 3°内的高质量金刚石微流道。为进一步提升散热性能,将其激光加工方式推广至单晶金刚石,与哈尔滨工业大学及中国电科 38 所合作,开发应用于雷达功率组件的单晶金刚石微流道散散热器,热流密度可达1.38 kW/cm2,远远优于传统多晶金刚石微流道散热达到的 267 W/cm2及 473.9~1 000.4W/cm2。这对中国雷达组件、高能数据中心等超高热流密度应用场景发展有着极大推进作用。


图4   (111)面金刚石基 GaN 纳米线




图5 未切割金刚石及微流道显微形貌


化合积电是一家专注于第三代(宽禁带)半导体衬底材料和器件研发和生产的高科技企业。我们致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料和器件公司,通过不断的产品研发和技术创新,为破解“卡脖子”难题和推动科技的发展和进步贡献力量。现有核心产品晶圆级金刚石(Ra<1nm)、金刚石热沉片、金刚石基氮化镓外延片、金刚石基氮化铝薄膜等,其中金刚石热沉片的热导率高达1000-2000W/m.k。目前,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RF功率放大器、激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。


热门文章
>

2022

09-23

GaN 作为第三代半导体材料, 具有更高的自发极化系数及更大的压电系数, 能承受更高的功率密度,适用于高频、 高温大功率电子器件。但随着功率器件向小型化和大功率发展,芯片有源区的热积累效应使  GaN 器件的大功率性能优势远未得到充分发挥。当器件温度上升时, 器件特性如漏源电流、增益、输出功率和寿命等会出现退化, 甚至失效。研究表明,结温每升高10 ~ 12 ℃ ,器件的寿命及可靠性会降低5...
>

2022

09-22

随着GaN(氮化镓)在高功率和高频率领域广泛应用,氮化镓功率密度已接近极限值,要提升芯片功率,兼顾降低热阻,必须要有全新的散热方案,金刚石和氮化镓结合因此备受关注。当前金刚石和氮化镓有三种主流方式:将金刚石键合到 GaN 晶片或直接键合到 HEMT 器件;在单晶或多晶金刚石衬底上生长 GaN 外延;在 GaN 的正面或背面上生长纳米晶或多晶金刚石。化合积电一直潜心攻关金刚石和氮化镓结合的核心...
>

2022

09-21

应用环境实际要求显示器需以较高的显示亮度在高温环境下保持正常工作。在工作过程中,显示器产生的高热量加剧了其内部温升。高温会导致显示器组成材料的物理性能或尺寸发生改变,也会给温度敏感元器件带来失效的风险。同时,超高亮度显示器主要通过提高LED 光源能量的方式来实现,而 LED 光源能量的提升会导致显示器内部的热能急剧增大。热量的快速积聚不仅会导致 LED 光源输出光强度减弱,甚至会引起 LED...
>

2022

09-19

高频电子设备的急剧小型化导致单个组件的局部工作温度急剧升高。金刚石具有宽带隙、高热导率、高载流子迁移率、高击穿场、高载流子饱和速度和高位移能。这些特性使金刚石成为在高温、高压、高频和高辐射等极端环境中具有巨大应用价值的优秀候选材料。金刚石的各种电子器件已经广泛开展研究,包括MOSFET、散热器、探测器、核电池和电化学应用等。目前已经开发了几种高温金刚石器件,包括场效应晶体管(FET)和肖特基...
>

2022

09-16

氮空位(NV)中心是指在金刚石中由一个替位氮原子和一个空位构成的点缺陷。NV中心有望应用于固态量子比特、高灵敏度量子传感器等领域。在量子应用中,带负电荷的NV-中心必须处于稳定状态,因为NV器件的灵敏度等参数正比于NV-中心数量。同时,如果NV中心变成中性或带正电荷 (NV0或NV+),其自旋状态将无法操控。在硼掺杂金刚石中,NV中心为NV+状态,因此很少有人研究硼掺杂金刚石的NV中心。但是...
>

2022

09-15

根据IDTechEx的报告,5G基础架构的主要挑战之一是热管理。5G天线使用更高频率,需要增加增益才能达到可接受的性能范围。另外,5G毫米波频谱在透过墙壁或窗户等物体时的传播非常差,因此需要更多的单天线单元才能提供足够的覆盖范围。较高的频率还减小了天线元件之间的间距,从而导致电子组件阵列的密度更高,它们都必须及时消散热量。随着网络中天线安装数量的增加和密度的提高,主动热管理冷却方法(例如风扇...
联系我们


E-mail:sales@csmh-semi.com Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:3516 ho,69,Hangang-daero,Yongsan-gu, Seoul, Korea
点击这里给我发消息