散热王者金刚石，如何助力电子工业起飞

培育钻石的火热，不仅在于珠宝行业，更多应用前景在于高精尖工业领域。金刚石作为材料之王，具备了许多优异的物理化学性能。金刚石单晶是终极半导体材料。它结合了出色的结晶度、极高的击穿电压、出色的电学性能和极高的导热系数。最突出的是其很高的热导率，在30-650℃时，金刚石是固体物质中热导率最高的晶体。

晶体热导率由热容、声子平均自由程、声子速度决定，金刚石晶格非谐振动弱，声子平均自由程长；德拜（Debye）温度高，声子速度快，因此热导率极高。在室温下，金刚石的热导率是铜的5倍，是硅的15倍，相比其他物质具有明显的优势。

单晶金刚石是金刚石材料类中热导率最高的一种，这与其晶体结构密切相关，主要通过晶格振动即声子导热。单晶金刚石用作散热主要有两种方式。一种是直接用作替代外延衬底，原位生长材料制备器件，通过器件有源区与金刚石紧密接触，利用金刚石超高的热导率将热量均匀分布到衬底中。另一种是在单晶金刚石结构中加入微通道结构，利用流体将内部热量带出，达到降温的目的。

大面积单晶金刚石衬底主要为开发和产业化多种电子器件提供外延生长衬底。大功率金刚石电力电子器件：其可替代现有的Si、SiC等电力转换器件和开关电源，大幅减小转换器件尺寸，而且无需散热，实现转化效率的大幅提升和功耗的大幅下降，可靠性大幅提升。金刚石电子器件的耗能将是现在使用的器件的1/3-1/5。

超高频大功率金刚石电子器件(微波、毫米波雷达)：可用在火控武器系统、雷达、高速无线通信、火箭及航空航天等领域。可替代现在使用的行波管，使得武器系统和通信系统更加小型化和可靠性的大幅提高，大幅提高通信系统的数据传输速率，大幅降低卫星及其它航天器的重量、发射成本和抗辐照能力。

应用于集成电路芯片：开发基于金刚石的下一代集成电路芯片，彻底解决集成电路散热瓶颈问题，使得集成电路更加大规模化，更加高速化。金刚石紫外LED、LD：可使用在环保与医用杀菌，高密度数据储存等方面。DNA等生物传感器：利用金刚石与生物细胞的亲和性及其生物传感器的高灵敏性，开发各种金刚石生物传感器;同时，也可以制成生物武器探测器等。日盲紫外探测器和超快粒子辐射闪烁体探测器：应用于导弹制导与预警、深空x光通信。

目前，将金刚石作为功率器件的热沉或衬底已经研究出多种技术形式，其中主要有：基于衬底转移技术的金刚石键合，基于金刚石钝化层的低温沉积以及金刚石上的器件外延生长。现阶段，多晶金刚石与Si、GaN、Ga2O3等的室温键合已经通过表面活化键合（SAB）技术实现。

多晶金刚石作为大功率芯片、电子器件散热片方面具备高性能优势，未来随产量提升+成本下降有望在半导体散热片领域得到大规模应用。目前已实现4英寸电子级多晶金刚石的商业化量产，国际最大制备尺寸可达8英寸，随着MPCVD技术的改善升级有望与现存的8英寸半导体晶圆制造产线兼容，最终实现多晶金刚石热沉材料在半导体材料产业的规模化应用推广。

纳米金刚石材料用作散热一般是作为高热流密度器件钝化层，可在器件表面进行均热，为器件增加一条导热通路，提升器件表面均温性能。氢等离子体对氮化镓具有反应刻蚀作用，导致器件直接沉积金刚石的方法需要低温条件并且需要耐氢设计。在耐氢保护层表面，金刚石需要均匀高密度形核，同时需要高定向排列，以提升金刚石钝化层整体导热能力。

哈尔滨工业大学与中国电子科技集团有限公司55所合作，研制纳米金刚石钝化GaN器件，在600℃制备晶粒尺寸可控纳米金刚石钝化层，实现高导热金刚石层对器件表面的全覆盖，但仍存在纳米金刚石热导率相比单晶热导率较差，散热效果有限的问题，仍有进一步探索的空间。