Tính dẫn nhiệt của kim cương

Tính dẫn nhiệt của kim cương

Trong những năm gần đây, gallium nitride (GaN) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị sóng milimet tần số cao, công suất cao, sóng milimet, v.v., vì nó có hiệu suất tuyệt vời về độ rộng vùng cấm lớn, độ dẫn nhiệt cao, tốc độ trôi bão hòa điện tử cao dễ hình thành các dị cấu trúc. Đồng thời, các lĩnh vực khác nhau đã đặt ra những yêu cầu cao hơn về công suất, tần số, hiệu suất và độ tin cậy của các thiết bị công suất vi ba dựa trên GaN. Khả năng tản nhiệt thấp của thiết bị GaN HEMT được phát triển với công suất lớn hơn và hiệu suất cao hơn đã trở thành một 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 là tuyệt vời, nên các thiết bị làm từ kim cương đang đi vào tầm mắt của mọi người.

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

1.Độ dẫn nhiệt cao của kim cương

Hiện tại, 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), và nó có khả năng tản nhiệt gần như hoàn hảo. trong các thiết bị nhiệt cao, vì vậy vật liệu kim cương ngày càng được chú ý nhiều hơn, đặc biệt là tính dẫn nhiệt của kim cương.

Là vật liệu bán dẫn dải tần rộng, kim cương có thể được sử dụng để điều chế các thiết bị điện, thiết bị quang điện tử, máy dò dựa trên kim cương, cảm biến, thiết bị vi điện tử và cơ điện tử nano, v.v. Cơ chế truyền nhiệt của kim cương là truyền nhiệt thông qua dao động mạng tinh thể và lượng tử năng lượng của dao động tạo ra bởi các nguyên tử cacbon là tương đối lớn. Do đó, tính 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 so với 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 sử dụng nguồn GaN và nó có thể chế tạo các thiết bị sử dụng nguồn dựa trên GaN với mật độ công suất lớn hơn với cùng kích thước.

Kích thước của kim cương đa tinh thể không còn giới hạn trong một thiết bị đơn lẻ 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 một chip mảng theo giai đoạn, nó có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy của hệ thống và giảm kích thước và chi phí 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.

powerwaywafer

2. Phương pháp phát triển High Qđẹp đẽ Diamond Vật liệu

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

2.1Phương pháp trồng kim cương tổng hợp

Phương pháp tổng hợp kim cương được chia thành phương pháp áp suất cao và nhiệt độ cao (HPHT) và lắng đọng hơi hóa học (CVD). 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 tính dẫn nhiệt đơn tinh thể kim cương, dẫn nhiệt đa tinh thể và pha tạp màng mỏng. Về lý thuyết, kích thước của viên kim cương CVD không bị giới hạn.

2,2Phương pháp trồng kim cương CVD

Có ba phương pháp chính để điều chế kim cương CVD: phương pháp CVD dây tóc nóng (HFCVD), phương pháp CVD tia plasma dòng điện một chiều (DC-PJ CVD), phương pháp CVD plasma vi sóng (MPCVD). Phương pháp CVD dây tóc nóng là phương pháp đầu tiên tổng hợp độ dẫn nhiệt phim kim cươngtrong lịch sử. Cấu trúc thiết bị đơn giản, dễ vận hành với chi phí đầu tư thấp. Quá trình này được đặc trưng bởi tốc độ tăng trưởng kim cương nhanh hơn, một loạt các thông số lắng đọng và ít yêu cầu nghiêm ngặt. Nhưng sự ô nhiễm của vật liệu làm 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 diện tích lớn. Thông qua cả phương pháp DC-PJ CVD và phương pháp MPCVD, những tiến bộ vượt bậc đã đạt được trên các khía cạnh khác nhau, chẳng hạn như công suất thiết bị được cải thiện, diện tích lắng đọng được mở rộng và chất lượng của màng kim cương được cải thiện.

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

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

3.Các ứng dụng củaKim cương nhiệt Thuộc tính

Cho đến nay, tính 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 bằng cách kim loại hóa và hàn (ví dụ, sử dụng lắng đọng kim loại phún xạ Ti / Pt / Au và hàn eutectic AuSn);

Các tấm wafer đúc sẵn hỗ trợ nhiều thiết bị, cho phép các nhà sản xuất thiết bị gia công các tấm wafer với số lượng lớn (chẳng hạn như kim loại hóa và xếp đặt;

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] [email protected].

Chia sẻ bài này