Độ dẫn nhiệt của kim cương

Trong những năm gần đây, gallium nitride (GaN) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị vi sóng tần số cao, công suất cao, sóng milimet, v.v., vì nó có hiệu suất tuyệt vời về khoảng cách dải lớn, độ dẫn nhiệt cao, tốc độ trôi bão hòa electron cao và dễ hình thành các cấu trúc dị thể. Đồng thời, nhiều lĩnh vực khác nhau đã đặt ra yêu cầu cao hơn về công suất, tần số, hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị năng lượng vi sóng dựa trên GaN. Khả năng tản nhiệt thấp của các thiết bị GaN HEMT được phát triển với công suất lớn hơn và hiệu suất cao hơn đã trở thành yếu tố quan trọng hạn chế việc cải thiện hiệu suất của thiết bị và khả năng tản nhiệt chủ yếu được xác định bởi vật liệu nền của thiết bị. Vì độ dẫn nhiệt của kim cương rất tuyệt vời nên các thiết bị dựa trên kim cương đang được mọi người chú ý.

So với các thiết bị năng lượng vi sóng GaN dựa trên SiC thường được sử dụng, các thiết bị năng lượng GaN dựa trên kim cương có khả năng tản nhiệt cao hơn. Từ việc hiện thực hóa các thiết bị năng lượng có kích thước nhỏ hơn và mật độ năng lượng cao hơn đến việc thúc đẩy các thiết bị năng lượng RF trong tương lai cũng như các ứng dụng thu nhỏ, tích hợp và năng lượng cao của các hệ thống liên quan, ngày càng có nhiều nghiên cứu về độ dẫn nhiệt cao trong kim cương.

1.Độ dẫn nhiệt cao của kim cương

Hiện nay, kim cương là vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao nhất trong tự nhiên (độ dẫn nhiệt của Si, SiC và kim cương lần lượt là 150, 390 và 1200～2000W·m-1·K-1), đồng thời nó có khả năng tản nhiệt gần như hoàn hảo. trong các thiết bị nhiệt độ cao, do đó người ta ngày càng chú ý nhiều hơn đến vật liệu kim cương, đặc biệt là tính dẫn nhiệt của kim cương.

Là một vật liệu bán dẫn có dải thông rộng, kim cương có thể được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện, thiết bị quang điện tử, máy dò dựa trên kim cương, cảm biến, thiết bị vi cơ điện tử và cơ điện tử nano, v.v. Cơ chế truyền nhiệt của kim cương là truyền nhiệt thông qua dao động mạng và lượng tử năng lượng dao động do nguyên tử cacbon tạo ra tương đối lớn. Do đó, độ dẫn nhiệt của kim cương cao hơn bất kỳ vật liệu nào trong tự nhiên và nó có tiềm năng lớn trong ứng dụng tản nhiệt. Là vật liệu nền, kim cương có thể được lắng đọng trong kênh GaN với kích thước hàng trăm nanomet, nhờ đó thiết bị bóng bán dẫn có thể tản nhiệt hiệu quả trong quá trình hoạt động.

Rõ ràng, độ dẫn nhiệt của kim cương ở dạng đơn tinh thể và đa tinh thể cao hơn các chất nền thông thường, như SiC và Si. Chất nền kim cương có thể giải quyết hiệu quả vấn đề tản nhiệt ảnh hưởng đến việc cải thiện hiệu suất của các thiết bị nguồn GaN và nó có thể chế tạo các thiết bị nguồn dựa trên GaN với mật độ năng lượng lớn hơn trong cùng kích thước.

Kích thước của kim cương đa tinh thể không còn bị giới hạn ở một thiết bị hoặc một mảng nhỏ và kích thước mảng có thể được mở rộng đến vài cm. Nó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khác nhau. Khi được sử dụng trong chip mảng pha, nó có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy của hệ thống và giảm kích thước cũng như giá thành của hệ thống; khi được sử dụng trong bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn, nó có thể giảm đáng kể kích thước, chi phí và nâng cao hiệu quả; khi được sử dụng trong truyền thông băng thông rộng, nó có thể giảm kích thước và chi phí chip, cải thiện độ tin cậy.

2. Phương pháp trồng High Qđẹp đẽ Diamond Vật liệu

Để đạt được tốc độ tăng trưởng cao hơn, chất lượng cao hơn và vật liệu nền kim cương có kích thước lớn hơn, các phương pháp tăng trưởng không ngừng đổi mới và cải tiến. Các phương pháp trồng kim cương tổng hợp dẫn nhiệt và kim cương CVD dẫn nhiệt được giới thiệu ngắn gọn dưới đây:

2.1Phương pháp trồng kim cương tổng hợp

Phương pháp kim cương tổng hợp được chia thành phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao (HPHT) và lắng đọng hơi hóa học (CVD). Viên kim cương được điều chế bằng phương pháp HPHT có nhiều vấn đề như kích thước tổng hợp nhỏ, độ tinh khiết thấp và hình dạng đơn lẻ, không thể đáp ứng yêu cầu trong các ngành công nghiệp khác nhau, hạn chế ứng dụng của nó. Phương pháp CVD có thể tạo ra độ dẫn nhiệt của tinh thể kim cương đơn, nhiệt đa tinh thể và pha tạp màng mỏng. Về lý thuyết, kích thước của kim cương CVD không bị giới hạn.

2,2Phương pháp trồng kim cương CVD

Có ba phương pháp chính để chế tạo kim cương CVD: phương pháp CVD dây tóc nóng (HFCVD), phương pháp CVD plasma phản lực dòng điện trực tiếp (DC-PJ CVD), phương pháp CVD plasma vi sóng (MPCVD). Phương pháp CVD sợi nóng là phương pháp tổng hợp độ dẫn nhiệt đầu tiênphim kim cươngtrong lịch sử. Cấu trúc thiết bị của nó đơn giản và dễ vận hành với chi phí đầu tư thấp. Quá trình này được đặc trưng bởi tốc độ tăng trưởng nhanh hơn của kim cương, một loạt các thông số lắng đọng và ít hơn yêu cầu nghiêm ngặt. Nhưng sự ô nhiễm của vật liệu dây tóc trực tiếp hạn chế việc cải thiện hơn nữa chất lượng lắng đọng của màng kim cương. Vào những năm 1990, các nhà nghiên cứu nước ngoài đã có những bước đột phá sáng tạo trong việc chế tạo màng kim cương chất lượng cao trên diện rộng. Thông qua cả phương pháp DC-PJ CVD và phương pháp MPCVD, đã đạt được tiến bộ lớn về nhiều mặt, như cải thiện công suất thiết bị, mở rộng diện tích lắng đọng và cải thiện chất lượng màng kim cương.

Gần đây, MPCVD được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành và được coi là phương pháp lý tưởng nhất để chuẩn bị độ dẫn nhiệt kim cương IC diện tích lớn, chất lượng cao trong tương lai.

Không có điện cực bên trong trong khoang cộng hưởng của MPCVD (Công nghệ lắng đọng hơi hóa chất plasma vi sóng), có thể tránh được ô nhiễm do phóng điện điện cực. Phạm vi áp suất hoạt động tương đối rộng và plasma được tạo ra với mật độ cao, diện tích lớn và độ ổn định cao, không tiếp xúc với thành bình chân không, nhờ đó tránh được sự nhiễm bẩn của màng bởi thành bình.

3.Ứng dụng củaNhiệt kim cươngThuộc tính

Cho đến nay, độ dẫn nhiệt kim cương CVD có thể được tích hợp rộng rãi vào các giải pháp tản nhiệt theo ba cách sau:

Đơn vị kim cương đơn độc lập được nối với nhau bằng quá trình kim loại hóa và hàn (ví dụ: sử dụng lắng đọng kim loại phún xạ Ti/Pt/Au và hàn eutectic AuSn);

Các tấm bán dẫn đúc sẵn hỗ trợ nhiều thiết bị, cho phép các nhà sản xuất thiết bị xử lý các tấm bán dẫn với số lượng lớn (chẳng hạn như kim loại hóa và sắp xếp;

Sử dụng trực tiếp lớp phủ kim cương.

Để biết thêm thông tin, xin vui lòng liên hệ với chúng tôi email tại[email protected] và[email protected].