金刚石热沉片：赋能集成电路芯片长效稳定运行

伴随高端集成电路、高性能算力芯片的快速迭代升级，CPU、GPU等核心半导体器件的集成度与运行功率持续攀升，芯片工作热流密度大幅提升。高效疏导器件工作余热、稳定控制芯片结温，是保障电子系统长期持续、可靠、平稳运行的核心前提，也让高导热、高适配、高稳定性的新型散热材料开发成为宽禁带半导体领域的重点研究方向。

相较于硅、氮化镓等传统半导体衬底材料，金刚石展现出全方位的性能优势。其热导率可达硅材料的10倍以上，同时具备更优异的载流子迁移率与击穿电场特性，综合理化性能适配高功率、高频、高温半导体器件的严苛工作工况。无论是单晶金刚石还是多晶金刚石，本征导热性能均远超常规散热衬底材料，是现阶段公认的下一代半导体器件高效散热的核心备选材料，将金刚石片及金刚石薄膜作为器件热沉，已成为行业主流技术发展趋势。

想要最大化释放金刚石的超高导热优势，核心关键在于实现金刚石与半导体功能层的高质量、低损耗异质集成。行业主流技术路线采用“外延预制+衬底剥离+低温键合”的一体化集成工艺：首先在常规衬底表面完成半导体材料外延生长，制备高质量半导体功能层，随后剥离原生衬底，最终将半导体外延层与金刚石衬底完成精准键合集成。该工艺体系有效规避了半导体直接外延生长所需的高温环境，大幅弱化异质材料热膨胀系数失配引发的晶格位错缺陷，从工艺源头保障半导体器件的晶格完整性与电学性能。同时，该方案无需金刚石沉积所需的氢等离子体极端工艺环境，彻底避免半导体器件本征性能受损。此外，单晶与多晶金刚石均可作为低温键合热沉基板，大幅降低了高端金刚石基器件的制备门槛，且半导体外延层与金刚石热沉可独立制备、精准贴合，有效精简器件制备流程、提升工艺可控性与量产效率。

当前成熟的金刚石基半导体键合工艺，可在300℃以下低温环境甚至室温条件下完成异质集成，彻底革新传统高温制备工艺的技术短板，显著提升高功率半导体器件的散热极限与运行稳定性。针对GaN HEMT高功率器件，该工艺可有效缩减GaN缓冲层厚度、彻底去除传统外延成核层，以超高导热金刚石衬底替代传统SiC衬底，将器件核心热源控制在金刚石衬底1μm范围内，极大缩短热量传导路径，实现器件整体热阻的大幅降低。相关研究采用SiN薄层作为键合界面过渡层，可将异质界面接触热阻低至2.5×10⁻⁹ m²·K·W⁻¹，界面导热损耗降至极低水平。连续波直流性能测试结果表明，转移至金刚石衬底的GaN HEMT器件电学性能无明显衰减，验证了该低温键合工艺可精准实现界面应力与界面热阻的双控，工艺可靠性与器件稳定性表现优异。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。