近日，复旦大学桑立雯团队综述了利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)上异质外延多晶金刚石(PCD)用于热管理的最新研究进展。研究成果以“Polycrystalline diamond heteroepitaxy on the third-generation semiconductors for thermal dissipation” 为题，发表于《Materials Today Electronics》期刊。

研究背景

以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的第三代半导体是支撑5G/6G通信、新能源汽车、航空航天等领域高压、高频功率器件的关键材料。然而，器件微型化和功率密度提升带来的“自热效应”已成为制约其性能进一步突破的主要瓶颈。多晶金刚石(PCD)凭借其超过2000 W·m-1·K-1的超高热导率，被视为理想的芯片级散热材料。本综述系统回顾了利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术在GaN与SiC上外延生长PCD薄膜的研究进展，重点阐述了籽晶工艺、介质保护层设计、生长参数调控等关键因素对PCD薄膜热导率(κ)及其与衬底间界面热阻(TBR)的影响机制。通过梳理优化策略与技术挑战，本工作为开发基于PCD的下一代高性能GaN/SiC器件热管理方案提供系统性指导。

引言

相较于单晶金刚石，多晶金刚石(PCD)在保持高热导率的同时，具有更低的制造成本和更大面积的沉积能力，更适合与GaN或SiC器件进行异质集成。目前，PCD主要通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)在半导体衬底上异质外延生长。

然而，金刚石在GaN/SiC上的异质外延生长面临着严峻挑战，主要包括：

1、巨大的晶格失配(金刚石与SiC：~15-20%；与GaN：~12-35%)导致薄膜内部缺陷密度高，严重降低其本征热导率。

2、显著的热膨胀系数(TEC)失配(金刚石：~1.1 × 10⁻⁶ K⁻1；SiC：~4.5 × 10⁻⁶ K⁻1；GaN c-轴：~3.17 × 10⁻⁶ K⁻1)在高温生长后的冷却过程中产生巨大热应力，导致薄膜翘曲、开裂，并增加界面热阻。

3、衬底表面化学惰性与高温刻蚀，使得均匀、高密度成核困难，并常需引入介质保护层，后者自身又会成为热流瓶颈。

因此，深入理解生长机理，系统性优化工艺参数与界面工程，是推动PCD散热器实用化的关键。本文将从GaN和SiC两方面，全面梳理PCD异质外延生长的研究进展、优化策略与未来方向。

氮化镓上多晶金刚石的异质外延生长

籽晶工艺：奠定低界面热阻的基石

高质量的PCD生长始于高密度、均匀的成核。籽晶工艺是控制初始成核与界面微观结构的第一道关口。

图1 混合籽晶法对GaN/金刚石界面的影响

图1(a)使用纳米金刚石(ND)进行籽品处理的示意图，其中ND覆盖整个表面但存在大量晶界。图1(b)使用微米金刚石(MD)进行籽晶处理的示意图，这会导致表面形成空隙并引起氨化镓(GaN)表面的刻蚀;图1(c)两步混合籽晶处理法的示意图，该方法在提供接触面积的同时保护了GaN表面。图1(d)通过两步籽晶处理法制备的金刚石-GaN界面形貌及相应的X射线断层扫描(XRT)图像。经Elsevier许可，改编自参考文献[43]。

这种微观结构的改善直接带来了热性能的飞跃。瞬态热反射(TTR)测量显示，采用此混合籽晶法获得的GaN/金刚石界面TBR低至1.47 m2K/GW，比在相同条件下使用纯ND籽晶的样品降低了约30倍。这证明，通过籽晶设计减少成核区的晶界和缺陷，是降低TBR、提升界面声子传输效率的关键。

图2 生长温度对金刚石/SiNₓ/GaN结构热性能的影响

图2(a)使用TTR测量在不同温度下生长的样品的TBReff、Dia/GaN。可以观察到，在800°C下生长的样品界面最为清晰、锐利。图2(b)不同生长温度的样品的kDiamond。图2(c)给出了在740℃下生长的样品的横截面TEM图像及图2(d)其相应的EDS元素分布图.当温度低于800°C时，氢等离子体对非晶碳的刻蚀能力不足，导致在界面处形成较厚的非晶过渡层，增加了声子散射。图2(e)显示了860℃下生长的样品的横截面TEM图像和图2(f)其相应的EDS[68]当温度高于800°C时，过高的能量可能导致界面晶格畸变，同样会损害热传输。

介质保护层：权衡表面保护与热输运

为了防止GaN在高温含氢等离子体中被刻蚀，引入SiNₓ、AlN等介质层是常见做法。然而，介质层本身是热的不良导体，其设计与优化至关重要。

图3 介质保护层对GaN/金刚石界面结构与热阻的影响

图3(a)具有不同SiN和AlN介电层以及金刚石与GaN之间无任何介电层的GaN-金刚石样品的归一化热反射信号随时间变化；(b)不同阻挡层(考虑所有生长参数)的平均有效热边界电阻TBReff, Dia/GaN及其变化范围；(c)不同生长工艺下GaN/SiN/金刚石样品的有效热阻随生长温度的变化；(d)具有SiN介电层样品的界面SEM图像；研究指出，使用5nm厚的SiN插层并结合1%的CH₄浓度，可获得最低的TBR(约6.5 m2K/GW)，比无介质层的界面低两个数量级。(e)TDTR模型中各拟合参数对应的实测热边界电阻(G：无介电层，A：AlN介电层，S：SiN介电层)；(f)无介电层样品的界面SEM图像；(g)具有SiN介电层样品的界面TEM图像；(h)有无SiC介电层样品的TEM界面图像及性能对比。经美国化学会许可，改编自参考文献[69,71,72]，使用SiC作为插层，可通过形成强C-Si键增强界面附着力，从而获得30 m2K/GW的TBR。

图4 (a)-(d)显示不同甲烷浓度对界面影响的横截面SEM图像；金刚石晶粒尺寸/厚度分别与(e)压力、(f)温度和(g)时间的关系[75]

图5 不同(a)甲烷含量、(b)压力、(c)温度和(d)时间下生长的金刚石薄膜的拉曼光谱

图形化氮化镓衬底：打破平面界面的热输运限制

为了突破介质层本身的热导率限制，增加界面接触面积成为有效策略。

图6 图形化GaN衬底用于降低界面热阻

图6(a)金刚石-氮化镓纳米图案制备与退火工艺，图6(b)热边界电阻随接触面积与沟槽宽度变化的函数关系[61]。图6(c)采用种子图案法在氮化镓衬底上制备金刚石的示意图。经美国化学会许可，改编自参考文献[80]，在图案化的GaN上，MD晶种被精确放置在特定区域以减少晶界，而ND晶种用于保护其余表面。由此生长的金刚石晶粒更大、相纯度高达95%，热导率从156 W·m-1·K-1提升至296 W·m-1·K-1。

低温生长：面向器件集成的实用化路径

传统MPCVD生长温度（>700°C）会损害预制好的半导体器件。因此，低温生长（400-500°C）技术对于后端集成至关重要。

图7 低温PCD在GaN HEMT器件上的集成与应用

图7 (a) 500℃沉积金刚石的扫描电镜图像。使用500℃沉积金刚石制备的器件在图7(b)线性坐标与图7(c)半对数坐标下的迁移特性。图7(d)器件在直流与脉冲条件下的输出特性对比[60]。阈值电压为-8 V，峰值跨导达190 mS，开关比高达10⁹，且栅极漏电极低。在24 W/mm的直流功耗下，集成金刚石的器件沟道平均温度比未集成的器件低111°C，同时跨导得到提升。这证明低温PCD不仅能有效散热，还能作为表面钝化层，实现性能的协同增强。

金刚石在SiC上的异质外延：成核机制与表面预处理

相较于GaN，SiC自身热导率较高，但在极端散热场景下，金刚石/SiC复合衬底仍具价值。其研究重点在于通过表面预处理获得高密度成核。

图8 SiC表面预处理对金刚石成核的影响

图8(a) 不同机械预处理（抛光、研磨、开槽）后SiC表面的示意图与成核效果对比。图8(b) 在开槽SiC上金刚石成核与生长的四阶段机制示意图。图8(c) 静电吸附法沉积ND籽晶的示意图，能获得高达101⁰ cm⁻2的成核密度，优于传统的超声籽晶法。

总结与展望

MPCVD生长的PCD薄膜是解决GaN和SiC器件散热难题的变革性方案。本综述系统梳理了其在两种衬底上异质外延生长的挑战与进展。当前，限制其散热效率的两个主要瓶颈是：PCD薄膜因晶界和缺陷导致的较低本征热导率，以及由晶格失配、界面无序和声子谱失配引起的巨大界面热阻。

本综述通过串联从图1到图8的关键实验证据，系统阐释了在GaN和SiC上异质外延PCD以提升散热性能的研究全景。核心结论在于：通过混合籽晶、优化介质层（如超薄SiNₓ）、衬底图形化及低温生长等协同策略，可以显著改善PCD薄膜质量、提升其热导率，并将GaN/金刚石界面TBR降至与单晶金刚石界面相当的水平（~1-5 m2K/GW）。

展望未来，该领域研究将向三个纵深发展：1) 利用机器学习对复杂的工艺-结构-性能关系进行建模与优化，实现高质量、大面积、低应力PCD的可控制备；2) 开发梯度化、多功能插层（如二维材料插层），在缓解应力的同时进一步降低TBR；3) 发展衬底剥离与背侧集成技术，并设计应力缓冲结构（如多孔/图案化缓冲层），以解决大尺寸异质集成中的机械失配问题，推动金刚石热管理方案在各类高性能电子系统中的规模化应用。

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