多晶金刚石热沉：依托半导体键合技术突破高功率电子设备散热难题

当前电子信息产业高速发展，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）等高功率、高频半导体器件，已成为电子设备核心元器件，广泛应用于雷达装备、卫星通信、5G移动通信基站、新能源发电、新能源汽车等诸多高端领域。伴随半导体器件功率密度持续攀升，设备散热短板逐渐凸显，成为制约器件运行性能、稳定性及服役寿命的核心因素。GaN HEMT器件工作过程中会产生极高的局部热流密度，其数值远超太阳表面热流密度一个数量级，极易造成设备性能衰减、使用寿命缩短等问题，因此，高效散热技术的研发与应用成为高功率电子设备领域的重点攻坚方向。

金刚石是目前已知热导率最优的人工及天然材料，是半导体器件散热基底的优选核心材料。但长期以来，金刚石与半导体材料的高效集成工艺存在技术壁垒，严重限制了其规模化散热应用。现阶段行业主流的金刚石半导体集成工艺主要包含金刚石沉积与金刚石键合两类。其中，金刚石沉积工艺虽可完成4英寸GaN-on-Diamond晶圆的制备，但受限于氮化硅介质层上金刚石晶体成型质量不佳的问题，成品热导率难以达到最优标准；而金刚石键合工艺具备更强的技术适配性，可通过优化界面结构参数、改善界面特性，有效降低热边界阻抗，散热应用潜力更为突出。

本文重点探究多晶金刚石（PCD）与3C-SiC材料的直接集成工艺，旨在提升GaN HEMT器件的热管理性能。相关研究团队采用新型先进键合工艺，实现了室温环境下多晶金刚石与3C-SiC材料的直接键合，顺利完成2英寸PCD晶圆基底上GaN HEMT器件的集成制备。该技术方案有效攻克了多晶金刚石表面粗糙度偏高的行业难题，优化后材料表面粗糙度可达2.48 nm。同时，研究团队通过高温退火处理，将材料界面处的非晶结构层转化为多晶SiC层，整个工艺过程无裂纹、分层、脱落等缺陷问题，界面结构完整性良好。

如图所示，详细描述了AIGaN/GaN/3C-SiC层的转移过程以及在2英寸PCD晶圆上GaN HEMT的制备步骤。

在本次实验研究中，科研人员首先以6英寸直拉式（Cz）硅（111）晶圆为基底，通过金属有机化学气相沉积技术（MOCVD），完成AlGaN/GaN/3C-SiC多层HEMT异质结构的生长制备。后续通过化学机械抛光、氢氟酸刻蚀等精细化工艺处理，完成3C-SiC功能层与PCD晶圆的精准键合。本次实验采用表面活化键合技术（SAB），利用氩快原子束（FAB）对PCD与3C-SiC的待键合表面进行同步辐照活化处理，以此保障两种材料界面的键合精度与结合强度，实现高质量材料集成效果。

实验测试数据表明，PCD生长面的热导率性能优于单晶金刚石（SCD），但应用于GaN HEMT器件散热场景时，PCD器件的热阻（RTH）较SCD器件高出27%。经机理分析，该现象主要源于PCD成核表面晶粒尺寸较小，引发显著的声子散射效应，进而弱化了散热性能。研究证实，去除PCD表层细晶粒成核层，可有效削弱声子散射影响，大幅提升器件整体散热效率。此外，通过透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）表征分析可知，在1100℃高温退火处理后，材料界面处形成厚度约13 nm的多晶SiC功能层，界面结构均匀完整，未出现裂纹、剥离等工艺缺陷，结构稳定性优异。

本次研究成功实现了多晶金刚石与3C-SiC材料的室温直接键合，有效解决了多晶金刚石表面粗糙度高、界面结合稳定性差的技术痛点，为高功率、高频半导体电子设备的热管理优化提供了全新技术路径。后续可通过精细化调控材料晶粒尺寸、深化界面工程优化等方式，进一步降低界面声子散射损耗，提升热量传导效率，充分发挥多晶金刚石材料的散热优势，为新一代高功率电子设备的散热技术升级提供有力支撑。

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。