在半導體技術的前沿領域，金剛石/GaN異質外延技術正受到廣泛關注。異質外延技術通常需要在外延表面沉積緩沖層，包括金剛石異質外延GaN技術和GaN底面異質外延金剛石技術。它為解決 GaN功率器件的散熱問題提供了新的思路和方法，但同時也面臨著一系列技術挑戰。下面將為大家詳細介紹金剛石異質外延GaN技術的相關研究進展。

       金剛石異質外延GaN技術

       金剛石襯底散熱技術——異質外延技術，因金剛石與GaN的晶體結構不同，存在晶格和熱膨脹系數失配難題，關鍵在于控制應力和保證晶體質量。該技術分為GaN異質外延金剛石技術（去除GaN原襯底及部分緩沖層后，先在GaN背面沉積介電層保護，再沉積金剛石層）和金剛石異質外延GaN技術（在金剛石上用 MBE、MOCVD 等方法沉積GaN層），目前研究較多的是前者。GaN異質外延金剛石技術雖界面結合強度高且成本低，但存在異質外延金剛石形核層質量差、熱導率低，以及金剛石生長環境高溫、高氫等離子體密度，導致GaN在冷卻過程中翹曲、破裂，在氫等離子體環境中被刻蝕、分解等問題，所以需在GaN表面制備保護層緩解熱應力并保護 GaN，技術基本流程如圖所示。

 GaN異質外延金剛石基本流程  圖源：論文

       1、形核層質量與熱導率問題

       Malakoutian 等通過快速形核方法，利用保護層電位差實現金剛石顆粒高密度播種，在特定條件下形核和生長，降低了形核層厚度和界面熱阻，還使部分保護層轉化為熱導率更高的 SiC。

       Smith 等采用混合金剛石晶粒播種方法，他們使用MOCVD分別制備了Si基GaN和Si基AlN兩個樣品，在兩個樣品上使用靜電噴霧法分兩步播種微米金剛石（2±1μm）和納米金剛石（3.3±0.6nm），然后使用微波等離子體增強化學氣相沉積法生長了厚金剛石層。分兩步播種不同尺寸金剛石后生長，大幅減小了金剛石形核層熱阻。

       2、熱應力問題

       Jia 等提出的在GaN兩側生長金剛石的結構，首先在GaN上層沉積2μm厚Si層，然后在Si層上低溫、高甲烷濃度沉積低質量犧牲層金剛石，GaN下層先去除原襯底、沉積 SiN保護層，再沉積高質量金剛石作為散熱層。如下圖所示，制備了金剛石-GaN-金剛石結構通過犧牲層金剛石和散熱層金剛石共同分擔應力，有效緩解了熱應力問題，降低了GaN層的應力。

兩側生長金剛石減小應力  圖源：論文

       GaN 異質外延金剛石技術 

       1、金剛石鈍化層散熱技術 

       技術原理：金剛石鈍化散熱技術是利用金剛石薄膜替換原有源區的傳統鈍化層SiNx 的技術，通過用金剛石包覆器件層來提高器件性能。

       工藝兼容性：金剛石層生長工藝與GaN器件層工藝存在兼容性問題。例如，金剛石鈍化層通常使用異質外延的方法制備，如MPCVD、HFCVD等，這些方法需要高溫、富氫等離子體的條件，在此條件下GaN會發生嚴重的刻蝕、分解。

       解決方案：為了解決這個問題，通常在GaN器件層上沉積保護層用于保護GaN，且由于金剛石和GaN之間大的熱膨脹失配，需要在低溫環境中沉積金剛石鈍化層，減小應力。國內南京電子器件研究所Guo等進一步優化工藝，采用柵前金剛石的方法，使用三步金剛石刻蝕技術和20nm SiN保護層，成功在GaN HEMTs器件的頂端制備了500 nm厚的金剛石鈍化散熱層，其結構示意圖如下圖所示。經測試，金剛石/GaN HEMTs的熱阻比傳統SiN/GaN HEMTs低21.4%，截止頻率為34.6GHz，比 SiN/GaN HEMTs提高了1.8%，尤其是電流電壓(VGS=1V)和小信號增益（10GHz）分別提高了27.9%和36.7%。

具有金剛石鈍化層的GaN HEMTs示意圖  圖源：論文

       優勢：金剛石層與熱源接近，能夠顯著提高散熱效率。

       問題：由于金剛石膜沉積溫度低，導致其晶體質量不高，無法發揮金剛石導熱率高的優勢。在實際應用中還需要進一步研究和改進工藝，以提高金剛石膜的晶體質量，更好地發揮其散熱優勢。

       2、金剛石襯底外延技術 

       技術概述：金剛石襯底外延技術是一種用于改善散熱需求的技術，與金剛石襯底異質外延GaN技術類似，存在熱膨脹系數失配和晶格失配的問題，需要使用額外的緩沖層緩解失配。

       緩沖層研究：Pantle等研究了單晶金剛石取向和緩沖層對GaN質量的影響，在 (111) 單晶金剛石、(001) 單晶金剛石和具有 AlN 緩沖層的 (001) 單晶金剛石上使用 MBE 工藝選擇性沉積了GaN納米線，如下圖所示。結果顯示在 (111) 金剛石上生長的 GaN 納米線具有一致的形貌，在 (001) 金剛石上生長的GaN納米線有多重形核和聚結，而在具有 AlN 緩沖層的 (001) 金剛石上生長的GaN納米線有最一致的形貌，表面光滑，生長偏轉角度小，且缺陷最少。Xu等在多晶金剛石上使用MOCVD工藝生長了GaN薄膜，發現在具有2.5nm h-BN 插入層和1000°C 低溫 AlN 層時GaN層晶體質量最好，相比沒有h-BN插入層的GaN層，其表面光滑，(002) 搖擺曲線的半峰全寬從 4.67° 降低到 1.98°。

用于在多晶金剛石上生長晶體GaN的工藝步驟  圖源：論文

       工藝結合研究：Ahmed 等結合了GaN異質外延金剛石技術和金剛石異質外延GaN 技術，在GaN表面使用PECVD沉積一層SiNx保護層，而后使用納米金剛石顆粒和光刻工藝相結合的方法，經過一系列過程在SiNx保護層上選擇性的沉積多晶金剛石層，刻蝕掉未被金剛石覆蓋的SiNx保護層部分，暴露出GaN層，之后在暴露的GaN和金剛石上層使用優化的MOCVD工藝橫向外延過生長GaN層，再生長GaN層質量比原始 GaN有更好的結晶度和更低的缺陷密度。但由于金剛石與GaN熱膨脹系數失配較大，以及多晶金剛石的粗糙表面 (RMS>30nm)，在金剛石與GaN之間出現了孔隙和空洞，進一步降低金剛石表面粗糙度也許可以獲得完全結合的界面。

       總結與展望

       1、GaN異質外延金剛石技術優勢在于金剛石與GaN結合強度高，結合均勻性好，但是由于金剛石與GaN之間的熱膨脹失配和晶格失配，冷卻后金剛石與GaN之間熱應力大，可能導致分層或外延層開裂，還存在保護層、金剛石形核層熱阻高的問題，可以從金剛石低溫沉積以及提高形核層晶粒尺寸、減小形核層厚度入手，同時探索新型保護層材料和保護層制備工藝。

       2、金剛石異質外延GaN技術優勢在于可以使用大尺寸高導熱率金剛石作為散熱層襯底，但是也存在熱膨脹失配和晶格失配的問題，同時緩沖層熱阻高，可以從開發新型緩沖層或多層緩沖層入手，以減小熱應力和緩解晶格失配。 

       以上內容整理自https://link.cnki.net/urlid/50.1083.tg.20240704.1602.004