金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势.pdf

新能源新材料第12 卷第5期2023年9月引文格式：代文，林正得，易剑.金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势J.集成技术，2 0 2 3,12(5):2 7-40.Dai W,Lin CT,Yi J.Research status and development trend of connection technology of diamond heat sink andsemiconductor device J.Journal of Integration Technology,2023,12(5):27-40.集成技术JOURNAL OF INTEGRATION TECHNOLOGYVol.12No.5Sep.2023金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势代文*林正得导易剑（中国科学院宁波材料技术与工程研究所中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室浙江省海洋材料与防护技术重点实验室宁波3152 0 1)摘要半导体器件的集成化和小型化不可避免地导致散热问题发生。热量的持续累积威胁着电子的性能、稳定性和寿命。因此，提高电子器件的散热能力对其稳定运行至关重要。金刚石作为一种高效的散热衬底，具有众多无可比拟的优势，越来越受到人们关注。该文综述了金刚石作为半导体高功率器件热沉的研究进展，简要介绍了金刚石与半导体器件的连接方式，总结了金刚石基半导体器件面临的技术挑战，展望了其未来发展方向。关键词金刚石；半导体器件；导热性能中图分类号TG 156文献标志码Adoi:10.12146/j.issn.2095-3135.20221208001Research Status and Development Trend of Connection Technology ofDiamond Heat Sink and Semiconductor DeviceDAI Wen*LIN ChengteYI Jian(Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies,Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and ProtectiveTechnologies,Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering,Chinese Academy of Sciences,Ningbo 315201,China)Corresponding Author:Abstract The integration and miniaturization of semiconductor devices have led to a significant increase inheat dissipation issues.The continuous accumulation of heat threatens the performance,stability and lifespanof electronics,making it imperative to enhance the heat dissipation capability of electronic devices to ensuretheir stable operation.In recent years,diamond has emerged as a highly efficient heat dissipation substratewith numerous unparalleled advantages.This paper provides a comprehensive review of the latest research ondiamond as a heat sink for high-power semiconductor devices and briefly discusses the methods of connecting收稿日期：2 0 2 2-12-0 8 修回日期：2 0 2 3-0 4-18基金项目：国家自然科学基金项目（52 10 2 0 55，52 2 7 0 2 0 331，52 0 7 552 7）；国家重点研发计划项目（2 0 17 YFB0406000，2 0 17 Y FE0 12 8 6 0 0）作者简介：代文（通讯作者），博士后，研究方向为碳基热界面材料，E-mail：d a i w e n n i m t e.a c.c n；林正得，研究员，博士生导师，研究方向为导热应用、功能复合材料及生医传感器件；易剑，高级工程师，硕士生导师，研究方向为高精密金刚石器件。28集成技术2023年diamond to semiconductor devices.Additionally,the current technical challenges and promising developmentdirection for diamond-based semiconductor devices are discussed.Keywords diamond;semiconductor devices;thermal conductivityFunding This work is supported by National Natural Science Foundation of China(52102055,5227020331,52075527),National Key R&D Program of China(2017YFB0406000,2017YFE0128600)1 引 言近年来，随着电子器件性能的快速发展，有效清除集成电路芯片（如CPU和GPU)产生的热量对保证系统的持续、稳定和平稳运行越来越重要-3。为承担散热这一基本任务，将器件的工作温度维持在一个理想的水平，开发高传热性能的散热材料成为目前的一个研究热点4。目前，主流的散热方案主要包括：聚合物基导热复合材料，如导热硅脂、导热垫和导热凝胶等5 以高导热金属(铜、铝、银、锡等)为基础的热管、铸件和焊料6-7 ；利用液体工质相变运输热量的均温板等8 。目前，电子器件的功率急剧提高，现有的散热材料无法满足高导热、低膨胀系数、轻质、无污染等方面的需求。碳材料（如石墨膜、石墨烯和金刚石等)因其超高的热导率和较轻的重量，可满足半导体领域对散热片的需求，现已成为半导体器件散热的首要选择之一9。然而，石墨烯虽然拥有超高的本征热导率（8 0 0 350 0 Wm-lK-l)，但由于其结构为sp轨道杂化组成的呈六角蜂巢状的二维晶体，因此，其热导率存在各向异性，优异的传热性能只表现在面内方向，垂直方向的热导率较低10 1。同时，高纯度的石墨烯片尺寸较小，通常为毫米量级，无法直接使用。通过组装方式制备的石墨烯纸由于内部存在大量界面，会导致面内热导率急剧下降至7 0 0 Wm-1.K-1以下，面外方向降至50 Wm-1.K-以下12 。此外，通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)制备的石墨烯膜，不但成本高，而且膜层厚度较薄，强度差，容易破碎13。金刚石的热导率在常温下 2 0 0 0 W-m-K-1,且因其优异的介电性能以及较低的热膨胀系数等诸多优异性能，是目前半导体器件的理想散热材料14。若要使金刚石及其薄膜在半导体散热领域获得实际应用，则需解决硅（Si)、碳化硅（SiC)和氮化镓(GaN)等半导体器件与金刚石的有效连接问题，这是限制金刚石在半导体散热领域应用的最大难点15。本文回顾了金刚石与半导体器件连接技术的研究历程，总结了Si、SiC 和GaN等半导体与金刚石间不同连接方式的特点，以及当前存在的主要问题。此外，探讨了 Si、SiC 和GaN等半导体与金刚石间连接技术的发展趋势，展望了未来可能获得应用和规模化生产的技术路线。2金刚石在半导体散热领域的应用现状目前，常见的半导体材料有Si、SiC 和GaN等，其热导率较低，通常不超过50 0 W-m=l.K-1,而大功率电子器件的功率密度可达10 0 0 Wcm，且不同功能区域之间功率密度的差异会导致芯片内部的温度分布不均，某些区域所形成的局部热点甚至是芯片平均发热功率密度的510 倍。因此，需传热能力较高的散热材料将积累的热量有效导出，而金刚石是目前自然界具有最高热导率5期材料SiGaAsSicGaNDiamond的热沉材料，有望达到理想的散热效果。如表1所示，金刚石较Si、SiC 和GaN等半导体材料具有诸多优势，例如：金刚石的热导率超过Si材料的10 倍，此外，与GaN相比，金刚石的载流子迁移率和击穿电场更高。因此，为提高半导体器件的散热能力，将金刚石片或膜作为热沉，已被广泛认为是未来的散热方案之一16 19。无论是单晶金刚石，还是多晶金刚石，其热导率均远大于其他衬底材料，可作为替代其他散热衬底材料的更优方案2 0-2 1 2010年，美国率先开始了对半导体高功率器件传热散热的专题性研究，其研究目标是将半导体高功率器件工作时小范围(10 0 m)产生的热量即时有效地导出，降低器件工作效率的波动，从而达到更高效率的稳定输出。这项研究的一个重要课题是，利用金刚石超高的热导率以及较低的热膨胀系数特性，将其作为GaN高电子迁移率晶体管(GaN high electron mobility transistor,GaN-HEMT)的散热基底，研制出输出功率更大且更稳定的金刚石基GaN功率器件2 2 。如图1所示，通过CVD等手段，使GaN通道与金刚石尽可能紧密地贴合，以实现两者较低的接触热阻，使器件工作时快速散热。2 0 17 年，日本富士通公司在IEEESISC2017会议上报道了金刚石连接SiC基半导体高功率器件实现高效散热的成果2 3。该器件的金刚石层与SiC的界面热阻低至6.7 10-8 mKW-1。此外，与没有金刚石的器件相比，该器件在10%脉冲条件下的输出功代文，等：金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势表1常见半导体材料参数Table 1Parameters of common semiconductor materials禁带宽度热导率(eV)(W.m-K-)1.121501.4503.204903.441505.472.20029电子迁移率空穴迁移率(cm-V-l.s-l)(cmV-l.sl)1300600850040060010012502004.5003800率增加了约30%。2 0 19年，粒子输运与富集技术国防科技重点实验室将CVD金刚石膜作为半导体激光器的封装热沉，使得器件内部热阻降低28.4%，表现出较优异的可靠性，从而使器件的电光转换效率最大值达到6 0.6%2 4。Zhao 等2 5利用银烧结技术实现了大尺寸、高表面粗糙度金刚石和硅基芯片的低热阻、高强度异质连接。该项研究还利用压力辅助Ag烧结方法，制备了一个大面积(2 7 mm28mm)的Si芯片/金刚石散热器系统。此外，在10 MPa的键合压力下，该项研究获得了较低的接触热阻（0.42 8 mmKW-l）、较高的剪切强度(50 MPa)。源极栅极AIGaN阻挡层GaN缓冲层成核层金刚石衬底图1金刚石衬底GaN-HEMT器件热传输示意图Fig.1 Schematic diagram of thermal transport ofGaN-HEMTdevice on diamond substrate3金刚石与半导体的连接现状若想实现金刚石在半导体器件中的应用，首击穿电场(10V.cml)0.30.43.03.05.7漏极热流30先要解决金刚石与半导体的连接问题。金刚石与半导体器件的连接方式可分为直接连接和间接连接，如图2 所示。直接连接即金刚石和半导体的界面直接相连，间接连接即金刚石与半导体器件之间通过中间层相连。金刚石与半导体器件的连接工艺直接连接外延沉积低温半导体器金刚石上键合件上生长生长半导直连金刚石体器件图2现有金刚石与半导体器件连接工艺的技术路线图Fig.2The technical route of diamond and semiconductordevice connection process3.1金刚石与半导体间的直接连接金刚石与半导体的直接连接主要通过两种方式实现：（1)金刚石与半导体间通过沉积工艺实现直接连接；(2)金刚石与半导体间通过低温键合实现直接连接。金刚石具有超高热导率，若能与半导体直接连接，则可充分发挥金刚石热导率高的特性，因此，金刚石与半导体间的直连工艺研究一直是本领域的研究热点。3.1.1金刚石与半导体间通过沉积工艺直连金刚石与半导体间通过沉积工艺直连有两种形式：（1)在金刚石衬底上外延沉积Si、Si C 和GaN等半导体；（2)在Si、SiC 和GaN等半导体上外延沉积金刚石膜。在金刚石上生长半导体器件：制备金刚石和半导体直接连接的器件，一种理想且直观的方式是在金刚石衬底上直接外延生长一层半导体，然后在此外延层上利用刻蚀等手段制备电子器件。然而，GaN和AIN等氮化物半导体为六方纤锌矿结构，与金刚石的结构存在较大的差异，晶格不匹配较严重，经常导致外延层材料质量不佳，并导致电学性能差，因此，在金刚石上直集成技术接生长GaN较难2 6 。为减少衬底和半导体层的晶格失配问题，Hirama 等2 7-2 8 通过分子束外延(molecularbeamepitaxy，M BE）、金属有机化合物化学气相沉淀等方式，在单晶金刚石（111）衬底上生长高迁移率的AIGaNHEMT异质结构。如图3所示，与传统的SiC衬底相比，金刚石基 AIGaN HEMT器件在功率密度为3.2 Wmm-2间接连接时，温度降低了10。此外，Kuzmik等2 9 研究了单晶金刚石上MBE生长GaN/AIGaN/GaN结瞬时纳米软钎液相银低焊扩散焊2023年构的自热效应。该项研究中所生长的金刚石热导温烧率为2 2 0 0 Wm-lK-l，对外延结构的边界热阻结1X10-mKW-1。AIGaN/GaNHEMTondiamondAIGaN/GaNHEMTon SiC图3功率密度为3.2 Wmm-时的金刚石和SiC衬底上GaN HEMT 的温度分布2 7 Fig.3 Temperature sistribution of GaN HEMT on diamondand Sic dubstrates at the power density of 3.2 W-mm 27除晶格失配外，金刚石和GaN的热膨胀系数相差较大，导致GaN外延层生长后，样品冷却时会产生巨大的拉伸应变，这将导致外延层开裂。该问题在硅外延生长上也存在，但由于金刚石的热膨胀系数仅为硅的1/2，因此，该情况在金刚石上更严重。此外，外延生长温度通常需要超过10 0 0 的高温，不但会使Si、Si C和GaN等外延层容易开裂，而且会使金刚石热沉基板表面石墨化，进一步使金刚石衬底和半导体层的结合力变差，从而容易直接脱落。总而言之，在金刚石衬底上直接外延生长半导体器件的方式要进50363546205期入应用阶段尚需较长时间。在半导体器件上生长金刚石：与上述方法相反，本方法需在制备好的半导体器件上直接沉积一层金刚石膜，由此实现金刚石和半导体器件的直接连接30 32，如图4所示。2 0 0 6 年，Jessen等3首次据此方案在GaN背面直接外延生长2 5m金刚石层，制备出高效散热的AIGaN/GaNHEMT器件。Nucleation layer图4在GaN上生长金刚石层的横截面TEM图片32 Fig.4TEM micrograph of cross sections of GaN-on-diamond interfaces32此外，在不改变原有衬底的基础上，直接在GaNHEMT器件正面沉积金刚石钝化层，可提高器件向上散热的能力，如图5所示。Alomari等34 在7 50 8 0 0 的生长温度范围内，在Ino.17Alo.83N/GaNHEMT上系统地生长了一层厚度为50 0 nm的金刚石薄膜，并测得器件的最大截止频率为5GHz。此外，虽进行了金刚石的高温生长过程，但未观察到HEMT直流特性的退化或变化，证明二者的相容性良好。然而，上述方法不能解决金刚石衬底和半导体器件的热膨胀适配问题，仍会导致外延层开裂。此外，在Si、Si C和GaN等半导体上，利用CVD工艺沉积金刚石散热层时，一般需要7 0 0 以上的高温以及高浓度的氢等离子体，而高温下，氢等离子体会严重刻蚀Si、SiC 和GaN等半导体，导致其电学等性能严重下降3。因此，在代文，等：金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势Diamond1.8 m GaNSiC衬底SiN图5在GaNHEMT器件正面沉积金刚石钝化层34Fig.5Deposition of diamond passivation layer on the frontGaN50nm31纳米金刚石层Si、SiC 和GaN等半导体结构上生长金刚石的方法难度较大。3.1.2金刚石与半导体间的低温键合直连金刚石和半导体器件的另一种直接连接方式是先利用外延生长工艺在衬底上沉积半导体材料，然后去除衬底，并与金刚石衬底进行低温键合36 。一方面，该方案避免了直接外延生长需要的高温，降低了热膨胀失配导致的高密度位错；另一方面，该方法不需要沉积金刚石的氢等离子体环境，避免了半导体器件本征性能的降低。此外，无论是聚晶金刚石，还是单晶金刚石，都可作为低温键合的热沉基板，这大大降低了制备金刚石衬底的难度。而且，半导体外延层和金刚石热沉基板因可在键合前独立制备，故可精简金刚石基半导体器件工艺。目前，金刚石基半导体器件工艺可在30 0 以下，甚至室温，进行器件的直接键合，大幅提高了半导体器件的散热能力。Chao等于2 0 13年首次报道了低温键合工艺，该工艺在150 以下实现了键合，最大限度地减少了不同材料之间热膨胀硅基钝化层和中间层Ino.17Alo.3N 隔层(7 nm and 10 nm)1nmAIN隔层2DEGof GaN HEMT deviel432系数的不匹配37-39。如图6 所示，在该方法中，GaN缓冲层厚度减小，成核层被消除，SiC衬底通过低温键合技术被高导热性的金刚石代替。通过这种设计使GaN器件的热源在金刚石衬底的 1 m 内，显著降低了器件热阻。该研究以一层SiN作为结合界面层，其接触界面的热阻低至2.510-m-K-W-140。此外，南京电子器件研究所也开展了GaN外延层到金刚石衬底转移技术的研究，对永久键合的温度、压力、时间等工艺条件进行了优化，解决了键合层厚度变薄导致的键合质量差及转移后外延层脱落的问题，成功实现了3英寸(1 英寸=2 5.4mm)GaN HEMT的外延生长，以及将该器件完整转移至多晶金刚石衬底。通过连续波直流测试发现，GaNHEMT转移到金刚石衬底上后，器件直流性能未发生明显退化，一定程度上说明了转移过程中的应力控制及键合界面热阻控制取得了成效41。低温键合工艺虽然规避了外延生长的难点，但是要求金刚石热沉基板和半导体外延层表面平整、翘曲度小、表面粗糙度低（5m)银颗粒或银片烧结出来的银焊层致密度低，且所需的压力通常大于15MPa，极易损伤器件；中等尺寸（15m)的银颗粒焊膏所需的压力较小（515MPa)，但依然容易损伤器件；而小尺寸的银膏颗粒尺寸低至几十纳米，烧结后，银层致密度高，对器件的5期损伤小6 2-6 9。目前，银烧结材料的颗粒尺度正逐渐由微米尺度向纳米或微-纳米混合尺度方向发展。Kahler等7 0 用微-纳米混合银膏连接硅芯片和陶瓷基板，结果表明，与纳米银膏和微米银膏相比，微-纳米混合银膏的孔隙率较低，可在2 30 实现较好的连接。Yu等7 1 研究了不同尺寸的纳米Ag颗粒的加压烧结工艺，结果表明，尺寸较大的Ag颗粒在低温下难以实现烧结，且烧结后热阻较大，只有烧结温度2 50 时，纳米银才有较好的烧结界面，微观形貌如图9所示。Ag-NP2 m(a)烧结温度2 50 Ag-NP(b)烧结温度2 0 0 图”大尺寸纳米银颗粒的截面图7 1Fig,9 Crosection of large-sized silver nanopartices7从目前的研究来看，大功率 SiC 和GaN等芯片的封装温度和使用温度均较高，通常大于250C，因此，纳米银膏可成功应用于SiC和GaN等芯片连接。但硅芯片的封装温度和使用温度较低，常规的纳米银需加压烧结，且烧结温度250，无法在硅芯片的连接上使用。针对硅芯片的大面积低温连接，需开发低温低压，甚至低温无压的大面积纳米银烧结工艺。而纳米银的大面积低温无压和低温低压烧结技术是纳米银烧结工艺中的一大挑战，也是其研究的热点和难点。因此，实现低温低压，甚至低温无压烧结是代文，等：金刚石热沉与半导体器件连接技术研究现状与发展趋势直接键合工艺还不成熟。在间接连接工艺中，利用瞬时液相扩散焊和2 m纳米银低温烧结实现半导体芯片与金刚石的间接连接，是现实可行且能工业化的连接工艺，且和现有的半导体封装工艺兼容，是目前最有希望能直接规模化应用的工艺。然而，现代半导体芯片，尤其是硅芯片的集成度越来越高，封装温度越来越低，使现有的瞬时液相扩散焊和纳米银低温烧结必须向更低温度和无压烧结发展。为突破这些技术瓶颈，可考虑从以下几个方面入手：（1)优化金刚石表面研磨抛光工艺，探索金刚石热沉材料的新型表面处理技术，提高直接键合工艺的良品率和可靠性；(2)开发适用于大面积芯片的加压键合设备，通过提高键合设备的加压能力、控制键合温度和压力等参数，实现高可靠性、高效率的直接键合；（3)优化间接连接工艺，探索新型间接连接工艺材料，研究新型的瞬时液相扩散焊和纳米银低温烧结技术，提35纳米银在大面积硅芯片领域的应用关键，也是未来的研究方向7 2 。4总结与展望目前，金刚石热沉与半导体器件连接技术领域的关键是，如何实现高可靠性、高效率、低成本的大面积金刚石与半导体芯片的连接。尤其是在高功率、高温、高频、高压等极端环境下，如何保证金刚石与半导体芯片连接的稳定性和可靠性是一个重大挑战。当前，就Si、Si C和GaN等半导体芯片与金刚石的连接而言，无论是直接连接，还是间接连接，均存在不同的问题。在直接连接工艺中，半导体芯片与金刚石的低温直接键合工艺前景较好，但该工艺对金刚石的表面研磨抛光工艺和加压键合设备要求高，就目前的工艺和设备水平，难以做到高良品率，尤其是对10 mmX10mm以上的大面积芯片来说，目前的36高连接的稳定性和可靠性；（4)推动半导体芯片制造技术的发展，研发具有更高温度稳定性和可靠性的半导体芯片，以满足金刚石热沉应用的需求。纳米技术和超高真空烧结等优化工艺将最有可能实现半导体芯片与金刚石的大面积低温低压或低温无压连接，从而大幅提高这些半导体芯片的散热能力，为新一代大功率高集成的半导体芯片封装奠定技术基础。从国家战略发展角度来看，金刚石热沉因其一些独特的物理与化学性质（高热导率、高耐磨损性、高化学稳定性等），在高功率半导体器件、光电子器件、能源、航空航天等领域具有广泛的应用前景。加快金刚石热沉技术的研发和产业化将有助于提高国家的前沿技术竞争力和产业水平，以及推动我国经济转型和创新发展。参考文献1 Moore AL,Shi L.Emerging challenges andmaterials for thermal management of electronics.Materialstoday,2014,17(4):163-174.2 Ying JF,Tan X,Lv L,et al.Tailoring highlyordered graphene framework in epoxy for high-performance polymer-based heat dissipation plates.American Chemical Society Nano,2021,15(8):12922-12934.3 Pop E,Sinha S,Goodson KE.Heat generationand transport in nanometer-scale transistors C/Proceedings of the IEEE,2006,94(8):1587-1601.4Waldrop MM.The chips are down for Moores law.Nature,2016,530(7589):144-147.5 Tan X,Liu TH,Zhou WJ,et al.Enhancedelectromagnetic shielding and thermal conductiveproperties of polyolefin composites with a Ti,C,T,MXene/graphene 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