Conductivité thermique du diamant

Conductivité thermique du diamant

Ces dernières années, le nitrure de gallium (GaN) est largement utilisé dans les micro-ondes haute fréquence et haute puissance, les appareils à ondes millimétriques, etc., car il présente d'excellentes performances de grande bande interdite, une conductivité thermique élevée, une vitesse de dérive de saturation électronique élevée formation facile d'hétérostructures. Dans le même temps, divers domaines ont mis en avant des exigences plus élevées en matière de puissance, de fréquence, d'efficacité et de fiabilité des dispositifs de puissance micro-ondes à base de GaN. La faible capacité de dissipation thermique des dispositifs GaN HEMT développés avec une plus grande puissance et une plus grande efficacité est devenue un facteur important limitant l'amélioration des performances du dispositif, et la capacité de dissipation thermique est principalement déterminée par le matériau du substrat du dispositif. Étant donné que la conductivité thermique du diamant est excellente, les dispositifs à base de diamant entrent dans les yeux des gens.

Par rapport aux dispositifs de puissance micro-ondes GaN à base de SiC couramment utilisés, les dispositifs de puissance GaN à base de diamant ont des capacités de dissipation thermique plus élevées. De la réalisation de dispositifs de puissance de plus petite taille et de densité de puissance plus élevée à la promotion des futurs dispositifs de puissance RF et de la miniaturisation, de l'intégration et des applications de haute puissance des systèmes associés, il y a de plus en plus de recherches sur la conductivité thermique élevée dans le diamant.

1.Diamant haute conductivité thermique

Actuellement, le diamant est le matériau de substrat avec la conductivité thermique la plus élevée dans la nature (la conductivité thermique du Si, du SiC et du diamant est respectivement de 150, 390 et 1200 ~ 2000W · m-1 · K-1), et il a une dissipation thermique presque parfaite dans les appareils à haute température, de plus en plus d'attention est accordée aux matériaux diamantés, en particulier à la conductivité thermique du diamant.

En tant que matériau semi-conducteur à large bande interdite, le diamant peut être utilisé pour préparer des dispositifs d'alimentation, des dispositifs optoélectroniques, des détecteurs à base de diamant, des capteurs, des dispositifs microélectromécaniques et nanoélectromécaniques, etc. l'énergie de vibration générée par les atomes de carbone est relativement importante. Par conséquent, la conductivité thermique du diamant est supérieure à celle de tous les matériaux naturels et présente un grand potentiel dans l'application de la dissipation thermique. En tant que matériau de substrat, le diamant peut être déposé dans le canal GaN avec une taille de centaines de nanomètres, de sorte que le dispositif à transistor puisse dissiper efficacement la chaleur pendant le fonctionnement.

Évidemment, la conductivité thermique d'un diamant en monocristallin et polycristallin est supérieure à celle des substrats courants, comme le SiC et le Si. Le substrat en diamant peut résoudre efficacement le problème de dissipation thermique qui affecte l'amélioration des performances des dispositifs d'alimentation GaN, et il peut fabriquer des dispositifs d'alimentation à base de GaN avec une plus grande densité de puissance sous la même taille.

La taille du diamant polycristallin n'est plus limitée à un seul appareil ou à une petite matrice, et la taille de la matrice peut être étendue à plusieurs centimètres. Il est largement utilisé dans divers appareils. Lorsqu'il est utilisé dans une puce à réseau phasé, il peut améliorer considérablement la fiabilité du système et réduire la taille et le coût du système; lorsqu'il est utilisé dans un amplificateur de puissance à semi-conducteurs, il peut réduire considérablement la taille, le coût et améliorer l'efficacité; lorsqu'il est utilisé dans les communications à large bande, il peut réduire la taille et le coût des puces, améliorant ainsi la fiabilité.

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2. Méthodes de culture de Haute Qualité Diamond Matériels

Afin d'obtenir un taux de croissance plus élevé, une qualité supérieure et des matériaux de substrat diamantés de plus grande taille, les méthodes de croissance innovent et s'améliorent constamment. Les méthodes de croissance de la conductivité thermique du diamant synthétique et de la conductivité thermique du diamant CVD sont brièvement présentées ci-dessous:

2,1Méthodes de culture du diamant synthétique

La méthode du diamant synthétique est divisée en méthode haute pression et haute température (HPHT) et dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Le diamant préparé par la méthode HPHT présente de nombreux problèmes, tels qu'une petite taille synthétique, une faible pureté et une forme unique, qui ne peuvent pas répondre aux exigences de diverses industries, limitant son application. La méthode CVD peut produire une conductivité thermique monocristalline de diamant, des polycristaux thermiques et un dopage en couche mince. En théorie, la taille du diamant CVD n'est pas limitée.

2.2Méthodes de culture de diamant CVD

Il existe trois méthodes principales pour la préparation du diamant CVD: la méthode CVD à filament chaud (HFCVD), la méthode CVD à jet plasma à courant continu (DC-PJ CVD), la méthode CVD plasma micro-ondes (MPCVD). La méthode CVD à filament chaud est la première méthode de synthèse de la conductivité thermique film de diamantdans l'histoire. Sa structure d'équipement est simple et facile à utiliser avec un faible coût d'investissement. Le processus est caractérisé par un taux de croissance plus rapide du diamant, une large gamme de paramètres de dépôt et moins exigences strictes. Mais la pollution du matériau filamentaire limite directement l'amélioration supplémentaire de la qualité de dépôt du film de diamant. Dans les années 90, des chercheurs étrangers ont fait des percées créatives dans la préparation de films diamantés de grande qualité et de grande surface. Grâce à la fois à la méthode DC-PJ CVD et à la méthode MPCVD, de grands progrès ont été réalisés dans divers aspects, tels que la puissance de l'équipement améliorée, la zone de dépôt élargie et la qualité du film de diamant améliorée.

Récemment, le MPCVD est le plus largement utilisé dans l'industrie et est considéré comme la méthode la plus idéale pour préparer à l'avenir la conductivité thermique du diamant IC de grande surface et de haute qualité.

Il n'y a pas d'électrode interne dans la cavité résonnante du MPCVD (Microwave Plasma Chemical Vapor Deposition Technology), ce qui peut éviter la pollution causée par la décharge d'électrode. La plage de pression de fonctionnement est relativement large et le plasma est généré avec une densité élevée, une grande surface et une stabilité élevée, sans entrer en contact avec la paroi de la cuve à vide, évitant ainsi la contamination du film par la paroi de la cuve.

3.Applications deDiamant thermique Propriétés

Jusqu'à présent, la conductivité thermique du diamant CVD peut être largement intégrée dans les solutions de dissipation thermique des trois manières suivantes:

L'unité de diamant unique indépendante est jointe par métallisation et soudage (par exemple, en utilisant le dépôt de métal par pulvérisation Ti / Pt / Au et le soudage eutectique AuSn);

Les plaquettes préfabriquées prennent en charge plusieurs dispositifs, permettant aux fabricants d'appareils de traiter les plaquettes en grandes quantités (comme la métallisation et le placement;

Utilisation directe du revêtement diamant.

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