金刚石可以改善氮化镓器件的冷却效果

将氮化镓（GaN）等宽带隙材料与金刚石等导热材料集成在一起的室温键合技术可以提高GaN器件的冷却效果，并通过更高的功率水平、更长的器件寿命、更高的可靠性和更高的性能来提高性能降低制造成本。该技术可以用于无线发射机、雷达、卫星设备和其他大功率和高频电子设备。

该技术称为表面活化键合，该技术在高真空环境中使用离子源首先清洁GaN和金刚石的表面，然后通过创建悬空键来激活表面。向离子束中引入少量硅有助于在室温下形成牢固的原子键，从而允许GaN与单晶金刚石直接键合，从而可以制造高电子迁移率晶体管（HEMT）。

最终形成的从GaN到单晶金刚石的界面层厚度仅为4纳米，通过消除纳米金刚石生长留下的低质量金刚石，使散热效率2倍于目前最先进的GaN对金刚石的散热效率。目前，钻石是通过使用晶体生长技术与GaN集成在一起的，该技术可以在界面附近产生更厚的界面层和低质量的纳米晶金刚石。此外，新工艺可以使用表面激活的键合技术在室温下完成，从而降低了施加到器件上的热应力。

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佐治亚理工学院Samuel Graham教授说：“这项技术使我们能够将高导热率的材料放置在氮化镓中更靠近有源器件区域的位置。这种性能使我们能够最大化金刚石系统上氮化镓的性能。这将使工程师能够定制设计未来的半导体，以实现更好的多功能操作。”

这项与日本名清大学和早稻田大学的科学家合作进行的研究2月19日发表在ACS Applied Materials and Interfaces杂志上。这项工作得到了美国海军研究办公室（ONR）的多学科大学研究计划（MURI）项目的支持。

对于在小型设备中使用诸如GaN之类材料的大功率电子应用，散热可能是施加在设备上的功率密度的限制因素。工程师们试图通过增加一层导热率比铜高五倍的钻石来散热。

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但是，当在GaN上生长金刚石薄膜时，必须在其上植入直径约30纳米的纳米晶体颗粒，并且该纳米晶体金刚石层的导热系数很低，这增加了进入块状金刚石薄膜的热流阻力。另外，生长发生在高温下，这会在所得的晶体管中产生应力的裂纹。

Graham说：“在目前使用的生长技术中，只有在距界面几微米远的地方，才能真正达到微晶金刚石层的高导热性能。界面附近的材料只是不具有良好的热性能。这种键合技术使我们可以从界面处的超高导热金刚石开始。”

通过创建更薄的界面，表面激活的键合技术使散热更接近GaN热源。

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“我们的键合技术使高导热率的单晶金刚石更接近GaN器件中的热点，这有可能重塑这些器件的冷却方式，”佐治亚州理工学院的Zhe Cheng博士说， “而且由于键合是在室温附近进行的，因此我们可以避免会损坏器件的热应力。”

热应力的降低可能是显着的，采用室温技术可以从900 MPa降至小于100 MPa。Graham说：“这种低应力键合使金刚石的厚层可以与GaN集成在一起，并为金刚石与其他半导体材料的集成提供了一种方法。”

除了GaN和金刚石外，该技术还可以与其他半导体（例如氧化镓）和其他导热体（例如碳化硅）一起使用。Graham说，该技术在需要粘接薄的界面层的电子材料上具有广泛的应用。

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在未来的工作中，研究人员计划研究其他离子源，并评估可以使用该技术集成的其他材料。

Graham说：“我们有能力选择加工条件以及衬底和半导体材料，从而为宽带隙器件设计异质衬底。这使我们可以选择材料并进行集成，以最大限度地提高电、热和机械性能。”

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