金刚石/氮化镓薄膜生长工艺与热物性表征领域研究进展

近日，太原理工大学周兵课题组和武汉大学袁超课题组合作，先后在国际权威期刊《Materials Characterization》和《Diamond & Related Materials》上，发表了题为“Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites”和“Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature”的研究论文。

氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMTs)因其优异的大功率高频性能在大功率射频器件领域具有广阔的应用前景。然而，器件运行中有源区温度的迅速升高导致其难以充分发挥高功率优势，实际功率密度远低于理论值，从而限制了器件性能的进一步提升。

目前，利用多晶金刚石薄膜优异的导热性能(1-3μm的厚度在室温下热导率约为300-500 W/m K)帮助氮化镓HEMTs有效地将热量从有源区扩散到金刚石层是一种有效可行的方案。因此，降低金刚石/氮化镓结构的界面热阻对于氮化镓HEMTs非常重要。金刚石生长工艺中的许多条件会影响金刚石/氮化镓多层结构的热性能及缺陷的形成。其中，金刚石形核时的偏压和金刚石生长温度都是极为重要的参数，过去尚未得到充分的研究。

针对目前金刚石形核过程中存在的问题，提出了基于微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)金刚石的偏置增强形核技术，在不同的偏置电压(400-700 V)下控制金刚石的形核，从而调控界面热阻。偏置电压的优化有利于建立稳定的等离子体环境并获得完整的金刚石/氮化镓多层结构和界面。利用自主研发的高分辨泵浦-探测热反射法(TTR)表征了不同偏置电压下生长的金刚石/氮化镓结构的界面热阻以及金刚石薄膜热导率。

此外，通过控制金刚石生长温度(740-860 ℃)实现了对金刚石/氮化镓多层结构中微观结构与热物性(热导率、界面热阻)的调控，并通过TTR表征和结构表征进行了验证和解释。TTR热物性表征结果表明在700 V的偏置电压和800 ℃的生长温度下可以同时获得最低的界面热阻和最高的多晶金刚石薄膜热导率。

这两项成果系统性地研究了MPCVD中通过控制形核偏压和生长温度对金刚石/氮化镓多层结构中微观结构和热物性的调控。结果表明，通过控制金刚石生长工艺条件来调控金刚石/氮化镓多层结构中的热物性结果是可行且有效的。这两项工作进一步优化了氮化镓表面金刚石的MPCVD生长工艺，并有望为氮化镓HEMTs实现高效的散热从而提升器件性能提供一种潜在的方案。

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580323003443?via%3Dihub

论文详情：Yiming Wang, Bing Zhou*, Guoliang Ma, Jiaqi Zhi, Chao Yuan*, Hui Sun, Yong Ma, Jie Gao, Yongsheng Wang and Shengwang Yu*, Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites, Materials Characterization, Volume 201, 2023, 112985.

全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963523010427

论文详情：Guoliang Ma, Yiming Wang, Ruikai Xia, Biwei Meng, Shengchao Yuan, Bing Zhou* and Chao Yuan*, Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature, Diamond and Related Materials, 141,2024, 110717.

来源：太原理工大学周兵课题组和武汉大学袁超课题组研究团队 供稿

审核编辑：刘清