金刚石在器件散热应用中的研究动态几则

日本国立物质材料研究所：金刚石作为散热材料在氮化镓基电子器件中的应用

近年来，随着氮化镓（GaN）基微波功率器件输出功率的提高及器件尺寸的缩小，散热问题已成为制约其可靠性和稳定性的重要因素之一。在目前所知的天然物质中，金刚石具有最高的热导率，是制备GaN基电子器件不可或缺的散热材料，在高频高功率AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的散热方面极有应用潜力。

实现GaN-on-diamond结构主要有以下3种途径：1，键合法；2，在GaN外延层或HEMT器件上外延生长金刚石；3，在金刚石衬底上外延生长GaN器件。由于GaN和金刚石之间具有较大的晶格失配和热失配，这3种方法制备的GaN-on-diamond都面临应力大、界面粗糙和热边界电阻大等问题。其中，界面热阻的存在，使得热量集中在GaN和金刚石的界面，极大影响了器件的可靠性。

用于HEMTs器件的氮化镓/金刚石晶圆

日本国立物质材料研究所桑立雯研究员团队总结不同方法所制备的GaN-on-Diamond结构，以及其对器件性能的影响，详细介绍不同制备方法测量得到的界面热阻，同时提出解决思路。相关的成果以“Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices ”为题，发表在Functional Diamond 杂志上。

原文信息

https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1980356

大阪市立大等实现GaN与金刚石的直接键合，有望解决半导体发热问题

大阪市立大学梁剑波副教授和重川直辉教授、东北大学金属材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授和清水康雄博士（现国立研究开发法人物质材料研究机构，简称NIMS）、佐贺大学理工学部的嘉数诚教授以及“Adamant并木精密宝石”公司的金圣祐博士等人组成的研究团队成功实现了氮化镓（GaN）与金刚石的直接键合。GaN元件的性能受发热限制是一直存在的缺点，但通过键合地球上导热率最高的金刚石，可以将GaN晶体管的温升控制在以往的四分之一左右。相关成果已经发布于ADVANCED MATERIALS的在线版。

GaN/金刚石键合界面的截面TEM图像（a：实施热处理前，b：实施1,000℃的热处理后）（照片由大阪市立大学提供）

实用化，以解决半导体元件的发热问题，助力人类实现SDGs”。

原文信息

https://doi.org/10.1002/adma.202104564

大气条件下InP和金刚石衬底直接键合！实现高效散热

磷化铟具有高电子传输速度、低接触电阻和大异质结偏移等优势，被作为下一代高频高功率电子器件的新型半导体材料。随着电子设备的小型化和高功率运行需求渐涨，这些高功率密度设备的散热问题成了集成电路行业发展的绊脚石。金刚石具有固体材料中最高的热导率 (2200 W/m/K)，以金刚石作为散热衬底与器件直接键合是减小热阻的理想选择。而目前关于 InP 和金刚石衬底直接键合的研究很少。

来自日本国家先进工业科学技术研究所的Takashi Matsumae团队通过将氧等离子体活化的 InP 基板和用NH3/H2O2清洁的金刚石衬底在大气条件下接触，随后将InP/金刚石复合样品在 250°C 下退火，使两种材料通过厚度为 3 nm 的非晶中间层形成了剪切强度为 9.3 MPa 的原子键。相关论文以“Low‑temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”为题发表在《Scientific Reports》期刊上。

该研究团队通过大量金刚石与其他半导体材料衬底（如硅、氧化镓等）直接键合研究发现，在用如H2SO4/H2O2和NH3/H2O2混合物氧化溶液处理过的金刚石表面可形成 OH 基团。此外，OH封端的金刚石表面可通过大约 200 °C 下热脱水与OH封端的半导体衬底形成直接键合。虽然对 InP 和金刚石键合的研究很少，但光电子科学家已经实现了氧等离子体激活的 InP 激光器和 Si 波导的直接键合 。为此，该研究团队提出了 InP 和金刚石基板的直接键合工艺方案，并研究了 InP/金刚石键合界面的纳米结构。

原文信息

https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4

（来源：DT半导体）