多晶金刚石与3C-SiC直接集成增强GaN HEMTs热管理：晶粒结构与界面工程的影响

这篇研究展示了通过先进键合技术实现2英寸多晶金刚石(PCD)与3C-SiC在室温下的直接集成，成功制备GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)。研究发现PCD生长面热导率(2088 W·m-1·K-1)优于单晶金刚石(SCD)，但HEMTs在PCD上的热阻(RTH)比SCD高27%，这归因于成核面小晶粒(平均2.2μm)导致的声子散射。通过1100°C退火后，界面形成13nm厚的多晶SiC层，展现出优异的界面稳定性。该研究为高功率电子器件的热管理提供了创新解决方案。

　　

Abstract

多晶金刚石(PCD)与半导体的直接集成对高功率电子器件的散热至关重要。本研究通过先进键合技术，在表面粗糙度2.48 nm的2英寸PCD晶圆上实现了与3C-SiC的室温键合，形成7 nm厚的非晶层，经1100°C退火后转变为13 nm厚的多晶SiC层且无裂纹。热分析显示PCD生长面的热导率高于单晶金刚石(SCD)，但GaN HEMTs在PCD上的热阻比SCD高27%，这归因于成核面小晶粒的声子散射效应。

1 Introduction

宽禁带半导体(GaN、SiC、β-Ga₂O₃)在高功率电子器件中面临热管理挑战。金刚石因其超高热导率成为理想散热材料，但单晶金刚石(SCD)尺寸受限且成本高昂。相比之下，PCD可扩展至8英寸且成本可控，但其表面粗糙度和晶界各向异性带来键合挑战。

2 Experimental Section

研究采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在6英寸Si(111)衬底上生长AlGaN/GaN/3C-SiC异质结构，通过微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)制备400μm厚PCD晶圆。利用表面活化键合(SAB)技术在室温下实现3C-SiC与PCD键合，Ar快速原子束(FAB)辐照后施加1 GPa压力保持180秒。通过时间域热反射(TDTR)测量热导率，透射电镜(TEM)分析界面结构。

3 Results and Discussion

原子力显微镜(AFM)显示PCD生长面(平均晶粒55.9μm)粗糙度(0.1 nm)显著低于成核面(平均晶粒2.2μm，粗糙度2.48 nm)。电子背散射衍射(EBSD)证实生长面晶粒尺寸达141μm，热导率超2000 W·m^-1·K^-1，而成核面因小晶粒(<5μm)热导率低于1000 W·m^-1·K^-1。TDTR测量显示PCD生长面热导率(2088 W·m^-1·K^-1)高于SCD(1971 W·m^-1·K^-1)，但3C-SiC/PCD界面热边界导纳(TBC)为92 MW·m^-2·K^-1。

微光致发光(μ-PL)热成像显示，在8 W·mm^-1功耗下，GaN HEMTs在PCD上的温升(109.8°C)显著低于Si(258.8°C)，但高于SCD(81°C)。去除栅极的HEMTs测试表明，PCD的热阻(R_TH=3.3 K·mm·W^-1)比SCD高27%，这主要源于成核面小晶粒的声子散射。2英寸晶圆上28个器件的温度分布证实PCD具有优异的散热均匀性。

4 Conclusion

该研究突破了PCD与3C-SiC直接键合的技术瓶颈，为高功率GaN器件提供了可扩展的散热解决方案。通过去除细晶成核层和优化界面工程，可进一步提升PCD的热管理性能，推动下一代高功率电子器件的发展。