In den letzten Jahren wurde Galliumnitrid (GaN) in Hochfrequenz-, Hochleistungsmikrowellen-, Millimeterwellengeräten usw. weit verbreitet verwendet, da es eine hervorragende Leistung bei großer Bandlücke, hoher Wärmeleitfähigkeit, hoher Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit und leichte Bildung von Heterostrukturen. Gleichzeitig haben verschiedene Bereiche höhere Anforderungen an die Leistung, Frequenz, Effizienz und Zuverlässigkeit von Mikrowellen-Leistungsgeräten auf GaN-Basis gestellt. Das geringe Wärmeableitungsvermögen von GaN-HEMT-Bauelementen, die mit höherer Leistung und höherer Effizienz entwickelt wurden, ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die Verbesserung der Geräteleistung einschränkt, und das Wärmeableitungsvermögen wird hauptsächlich durch das Substratmaterial des Bauelements bestimmt. Da die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten ausgezeichnet ist, kommen die Geräte auf Diamantbasis in die Augen der Menschen.
Im Vergleich zu üblicherweise verwendeten SiN-basierten GaN-Mikrowellenleistungsgeräten weisen diamantbasierte GaN-Leistungsgeräte höhere Wärmeableitungsfähigkeiten auf. Von der Realisierung kleinerer Leistungsgeräte mit höherer Leistungsdichte bis hin zur Förderung zukünftiger HF-Leistungsgeräte und verwandter Systeme, Miniaturisierung, Integration und Hochleistungsanwendungen, werden immer mehr Untersuchungen zur hohen Wärmeleitfähigkeit von Diamanten durchgeführt.
1.Diamant Hohe Wärmeleitfähigkeit
Derzeit ist Diamant das Substratmaterial mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit in der Natur (die Wärmeleitfähigkeit von Si, SiC und Diamant beträgt 150, 390 bzw. 1200 bis 2000 W · m-1 · K-1) und weist eine nahezu perfekte Wärmeableitung auf Bei Geräten mit hoher Hitze wird daher immer mehr auf die Diamantmaterialien geachtet, insbesondere auf die Wärmeleitfähigkeit des Diamanten.
Als Halbleitermaterial mit großer Bandlücke kann Diamant zur Herstellung von Leistungsbauelementen, optoelektronischen Bauelementen, Detektoren auf Diamantbasis, Sensoren, mikroelektromechanischen und nanoelektromechanischen Bauelementen usw. verwendet werden. Der Wärmeübertragungsmechanismus von Diamant besteht darin, Wärme durch Gittervibration und das Quantum zu übertragen Die von Kohlenstoffatomen erzeugte Schwingungsenergie ist relativ groß. Daher ist die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten höher als bei allen Materialien in der Natur und hat ein großes Potenzial für die Anwendung der Wärmeableitung. Als Substratmaterial kann Diamant mit einer Größe von Hunderten von Nanometern im GaN-Kanal abgeschieden werden, so dass die Transistorvorrichtung während des Betriebs effektiv Wärme abführen kann.
Offensichtlich ist die Wärmeleitfähigkeit eines Diamanten in Einkristallen und polykristallinen höher als bei herkömmlichen Substraten wie SiC und Si. Das Diamantsubstrat kann das Wärmeableitungsproblem, das die Leistungsverbesserung von GaN-Leistungsvorrichtungen beeinflusst, effektiv lösen, und es kann Leistungsvorrichtungen auf GaN-Basis mit größerer Leistungsdichte unter derselben Größe herstellen.
Die Größe von polykristallinem Diamant ist nicht mehr auf eine einzelne Vorrichtung oder ein kleines Array beschränkt, und die Arraygröße kann auf mehrere Zentimeter erweitert werden. Es ist in verschiedenen Geräten weit verbreitet. Bei Verwendung in einem Phased-Array-Chip kann dies die Zuverlässigkeit des Systems erheblich verbessern und die Größe und die Kosten des Systems verringern. Bei Verwendung in einem Festkörper-Leistungsverstärker können Größe, Kosten und Effizienz erheblich reduziert werden. Bei Verwendung in der Breitbandkommunikation können Chipgröße und -kosten reduziert und die Zuverlässigkeit verbessert werden.
2. Anbaumethoden H.igh QQualität Diamond Materialien
Um eine höhere Wachstumsrate, eine höhere Qualität und größere Diamantsubstratmaterialien zu erzielen, werden die Wachstumsmethoden ständig weiterentwickelt und verbessert. Im Folgenden werden kurz Methoden zum Züchten der Wärmeleitfähigkeit von synthetischem Diamant und der Wärmeleitfähigkeit von CVD-Diamanten vorgestellt:
2.1Methoden zum Züchten von synthetischem Diamant
Das Verfahren des synthetischen Diamanten ist in ein Hochdruck- und Hochtemperaturverfahren (HPHT) und eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unterteilt. Der durch das HPHT-Verfahren hergestellte Diamant weist viele Probleme auf, wie kleine synthetische Größe, geringe Reinheit und einzelne Form, die die Anforderungen in verschiedenen Industrien nicht erfüllen können und seine Anwendung einschränken. Das CVD-Verfahren kann Eindiamantkristall-Wärmeleitfähigkeit, Polykristall-Wärmeleitfähigkeit und Dünnschichtdotierung erzeugen. Theoretisch ist die Größe des CVD-Diamanten nicht begrenzt.
2.2Methoden zum Züchten von CVD-Diamanten
Es gibt drei Hauptverfahren zur Herstellung von CVD-Diamant: das Heißfilament-CVD-Verfahren (HFCVD), das Gleichstrom-Plasmastrahl-CVD-Verfahren (DC-PJ-CVD-Verfahren) und das Mikrowellenplasma-CVD-Verfahren (MPCVD-Verfahren). Das Heißfilament-CVD-Verfahren ist das erste Verfahren zur Synthese der Wärmeleitfähigkeit Diamantfilmin der Geschichte. Die Ausstattungsstruktur ist einfach und mit geringen Investitionskosten zu bedienen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine schnellere Wachstumsrate von Diamant, einen weiten Bereich von Abscheidungsparametern und weniger aus Strenge Anforderungen. Die Verschmutzung des Filamentmaterials begrenzt jedoch direkt die weitere Verbesserung der Abscheidungsqualität des Diamantfilms. In den 1990er Jahren gelang ausländischen Forschern ein kreativer Durchbruch bei der Herstellung großflächiger, hochwertiger Diamantfilme. Sowohl durch das DC-PJ-CVD-Verfahren als auch durch das MPCVD-Verfahren wurden große Fortschritte in verschiedenen Aspekten erzielt, wie z. B. Verbesserung der Geräteleistung, Erweiterung des Abscheidungsbereichs und Verbesserung der Qualität des Diamantfilms.
In jüngster Zeit wird MPCVD in der Industrie am häufigsten verwendet und gilt als die idealste Methode zur Herstellung einer großflächigen, hochqualitativen IC-Diamant-Wärmeleitfähigkeit in der Zukunft.
Im Resonanzhohlraum von MPCVD (Microwave Plasma Chemical Vapour Deposition Technology) befindet sich keine interne Elektrode, wodurch die durch die Elektrodenentladung verursachte Verschmutzung vermieden werden kann. Der Betriebsdruckbereich ist relativ breit und das Plasma wird mit hoher Dichte, großer Fläche und hoher Stabilität erzeugt, ohne die Vakuumgefäßwand zu berühren, wodurch die Verunreinigung des Films durch die Gefäßwand vermieden wird.
3.Anwendungen vonDiamant Thermal Eigenschaften
Bisher kann die Wärmeleitfähigkeit von CVD-Diamanten auf die folgenden drei Arten weitgehend in Wärmeableitungslösungen integriert werden:
Die unabhängige einzelne Diamanteinheit wird durch Metallisierung und Schweißen verbunden (z. B. durch Ti / Pt / Au-Sputtermetallabscheidung und eutektisches AuSn-Schweißen).
Vorgefertigte Wafer unterstützen mehrere Geräte, sodass Gerätehersteller Wafer in großen Mengen verarbeiten können (z. B. Metallisierung und Platzierung).
Direkte Verwendung der Diamantbeschichtung.
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