Conductividad térmica del diamante

Conductividad térmica del diamante

En los últimos años, el nitruro de galio (GaN) se utiliza ampliamente en dispositivos de ondas milimétricas, microondas de alta potencia y alta frecuencia, etc., porque tiene un excelente rendimiento de banda prohibida grande, alta conductividad térmica, alta velocidad de deriva de saturación de electrones fácil formación de heteroestructuras. Al mismo tiempo, varios campos han planteado requisitos más elevados en cuanto a potencia, frecuencia, eficiencia y fiabilidad de los dispositivos de potencia de microondas basados ​​en GaN. La baja capacidad de disipación de calor de los dispositivos GaN HEMT desarrollados con mayor potencia y mayor eficiencia se ha convertido en un factor importante que restringe la mejora del rendimiento del dispositivo, y la capacidad de disipación de calor está determinada principalmente por el material del sustrato del dispositivo. Dado que la conductividad térmica del diamante es excelente, los dispositivos basados ​​en diamantes están llegando a los ojos de las personas.

En comparación con los dispositivos de potencia de microondas de GaN basados ​​en SiC de uso común, los dispositivos de potencia de GaN basados ​​en diamantes tienen mayores capacidades de disipación de calor. Desde la realización de dispositivos de potencia de menor tamaño y mayor densidad de potencia hasta la promoción de futuros dispositivos de potencia de RF y miniaturización de sistemas relacionados, integración y aplicaciones de alta potencia, hay cada vez más investigaciones sobre la alta conductividad térmica en el diamante.

1.Diamante de alta conductividad térmica

Actualmente, el diamante es el material de sustrato con la conductividad térmica más alta en la naturaleza (la conductividad térmica de Si, SiC y diamante son respectivamente 150, 390 y 1200 ~ 2000W · m-1 · K-1), y tiene una disipación de calor casi perfecta. en dispositivos de alta temperatura, se presta cada vez más atención a los materiales de diamante, especialmente a la conductividad térmica del diamante.

Como material semiconductor con banda prohibida amplia, el diamante se puede utilizar para preparar dispositivos de potencia, dispositivos optoelectrónicos, detectores basados ​​en diamantes, sensores, dispositivos microelectromecánicos y nanoelectromecánicos, etc. El mecanismo de transferencia de calor del diamante es transferir calor a través de la vibración reticular y el La energía de vibración generada por los átomos de carbono es relativamente grande. Por lo tanto, la conductividad térmica del diamante es más alta que la de cualquier material de la naturaleza y tiene un gran potencial en la aplicación de disipación de calor. Como material de sustrato, el diamante se puede depositar en el canal de GaN con un tamaño de cientos de nanómetros, de modo que el dispositivo de transistor pueda disipar eficazmente el calor durante el funcionamiento.

Obviamente, la conductividad térmica de un diamante en monocristal y policristalino es más alta que en sustratos comunes, como SiC y Si. El sustrato de diamante puede resolver eficazmente el problema de disipación de calor que afecta la mejora del rendimiento de los dispositivos de potencia de GaN, y puede fabricar dispositivos de potencia basados ​​en GaN con una mayor densidad de potencia con el mismo tamaño.

El tamaño del diamante policristalino ya no se limita a un solo dispositivo o una pequeña matriz, y el tamaño de la matriz se puede ampliar a varios centímetros. Es ampliamente utilizado en varios dispositivos. Cuando se utiliza en un chip de matriz en fase, puede mejorar significativamente la confiabilidad del sistema y reducir el tamaño y el costo del sistema; cuando se usa en un amplificador de potencia de estado sólido, puede reducir significativamente el tamaño, el costo y mejorar la eficiencia; cuando se usa en comunicaciones de banda ancha, puede reducir el tamaño y el costo del chip, mejorando la confiabilidad.

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2. Métodos para cultivar HIGH Qcalidad Diamond Materiales

Para obtener una mayor tasa de crecimiento, materiales de sustrato de diamante de mayor calidad y mayor tamaño, los métodos de crecimiento están constantemente innovando y mejorando. Los métodos para aumentar la conductividad térmica del diamante sintético y la conductividad térmica del diamante CVD se presentan brevemente a continuación:

2.1Métodos para cultivar diamantes sintéticos

El método del diamante sintético se divide en método de alta presión y alta temperatura (HPHT) y deposición química de vapor (CVD). El diamante preparado por el método HPHT tiene muchos problemas, como tamaño sintético pequeño, baja pureza y forma única, que no puede cumplir con los requisitos en varias industrias, lo que restringe su aplicación. El método CVD puede producir conductividad térmica de un solo cristal de diamante, policristales térmicos y dopaje de película delgada. En teoría, el tamaño del diamante CVD no está limitado.

2.2Métodos para cultivar diamantes CVD

Hay tres métodos principales para la preparación de diamante CVD: método CVD de filamento caliente (HFCVD), método CVD de chorro de plasma de corriente continua (DC-PJ CVD), método CVD de plasma de microondas (MPCVD). El método CVD de filamento caliente es el primer método para sintetizar la conductividad térmica. película de diamanteen Historia. Su estructura de equipo es simple y fácil de operar con un bajo costo de inversión. El proceso se caracteriza por una tasa de crecimiento más rápida del diamante, una amplia gama de parámetros de deposición y menos estrictos requisitos. Pero la contaminación del material del filamento limita directamente la mejora adicional de la calidad de la deposición de la película de diamante. En la década de 1990, los investigadores extranjeros lograron avances creativos en la preparación de películas de diamantes de alta calidad de gran superficie. Tanto a través del método DC-PJ CVD como del método MPCVD, se ha logrado un gran progreso en varios aspectos, como la potencia del equipo mejorada, el área de deposición expandida y la calidad de la película de diamante mejorada.

Recientemente, MPCVD es el más utilizado en la industria y se considera el método más ideal para preparar en el futuro la conductividad térmica de diamantes IC de alta calidad y áreas grandes.

No hay ningún electrodo interno en la cavidad resonante de MPCVD (Tecnología de deposición de vapor químico de plasma por microondas), que puede evitar la contaminación causada por la descarga del electrodo. El rango de presión de funcionamiento es relativamente amplio y el plasma se genera con alta densidad, área grande y alta estabilidad, sin entrar en contacto con la pared del recipiente de vacío, evitando así la contaminación de la película por la pared del recipiente.

3.aplicaciones deDiamante Térmico Propiedades

Hasta ahora, la conductividad térmica del diamante CVD se puede integrar ampliamente en las soluciones de disipación de calor de las siguientes tres formas:

La unidad de diamante individual independiente se une mediante metalización y soldadura (por ejemplo, utilizando deposición de metal de pulverización catódica Ti / Pt / Au y soldadura eutéctica AuSn);

Las obleas prefabricadas admiten múltiples dispositivos, lo que permite a los fabricantes de dispositivos procesar obleas en grandes cantidades (como metalización y colocación;

Uso directo de revestimiento de diamante.

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