CN109312458A - 合成金刚石散热器 - Google Patents

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Abstract

合成金刚石散热器，其包括形成基底支撑层的第一合成金刚石材料层和设置在该第一合成金刚石材料层上并形成金刚石表面层的第二合成金刚石材料层。该金刚石表面层具有的厚度等于或小于该基底支撑层的厚度。该金刚石表面层具有的氮含量小于该基底支撑层的氮含量。选择该金刚石表面层和该金刚石支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。

Description

合成金刚石散热器
发明领域
本发明涉及利用合成金刚石散热器的热管理应用。
发明背景
宽带隙电子器件(例如GaN基)的所保证的性能将导致比可通过目前现有技术的热管理构造所提供的高得多的功率损耗和在触点处和通道区域中的局部发热。因此，常规冷却技术的使用对宽带隙器件性能和可靠性施加了限制。克服这样的阻碍需要在宏观尺度、微观尺度和纳米尺度的热工程学，其可显著减小结(junction)附近的温度升高和部件热阻。
具体的挑战涉及在某些类型的射频(rf)功率器件中的热扩散。在这样的器件中局部功率密度可超过1MW/cm2。扩散这样的热并降低结温使提高的稳定性和连续的波性能成为可能。除电子器件应用之外，还需要在某些极端光学应用中改进目前现有技术的热管理构造。
由于合成金刚石材料的高的面内热导率，提出这种材料作为在极端热管理应用中的理想解决方案。例如，已经可商购得到由化学气相沉积(CVD)生长的各种等级的合成金刚石材料用于热量的热扩散应用，其包括多晶和单晶合成金刚石材料。
特别的合成金刚石材料的热性能将取决于它的宏观尺度、微观尺度和纳米尺度结构。有助于热性能的因素是导致合成金刚石材料内声子散射的那些[J.E.Graebner，Diamond Films Technol.，(日本)3(1993)第77页，包括金刚石薄膜中的声子散射的调查研究]。例如在合成金刚石材料中导致声子散射的因素包括：内在机制(声子-声子相关的)，点缺陷(例如诸如氮和空位团的缺陷)，和扩展缺陷(例如堆垛层错和位错)。如此，针对改进的热性能而优化的合成金刚石材料是在点缺陷和扩展缺陷两方面具有减少的缺陷的那些。此外，还可定制针对改进的热性能而优化的合成金刚石材料以减少内在声子散射机制。
在内在声子散射机制中占优势的是与12C和13C的相对质量相关的那些。13C的天然丰度为1.1％，其意味着在每100个原子中大约1个在质量上具有12/13的区别，并因此具有不同的声子能量。同位素控制单晶金刚石理论[R.Berman，Thermal Conductivity inSolids(Clarendon Press 1976)]和实验[例如General Electric，L.Wei，P.K.Kuo，R.L.Thomas，T.R Anthony，W.F.Banholzer，Phys Rev Lett 70(1993)第3764页]已经显示体热导率可提高近两倍高至4000W/mK。如此，本领域中已知减少合成金刚石材料中的13C含量可减少内在声子散射并提高体热导率，特别是涉及单晶合成金刚石材料。然而，采用这种途径的一个问题是这样的同位素提纯的合成金刚石材料需要利用同位素提纯的碳源的制造工艺。这样的同位素提纯的碳源昂贵并因此虽然同位素提纯的合成金刚石材料可具有改进的热性能，但是提高的花费(其导致在某些应用中材料具有减少的商业可行性)可抵消这种改进。
US9214407提出对前述问题的解决方案。US9214407认识到减少合成金刚石材料中13C的同位素丰度可改进合成金刚石材料的热导率。此外，US9214407认识到这提高了合成金刚石制造工艺的花费，因为这样的制造工艺所要求的同位素提纯的碳源比采用碳的天然同位素丰度的那些更昂贵。更甚者，US9214407认识到在热扩散应用中在散热器和发热部件之间界面处的热阻(thermal barrier resistance)通常支配热量散热器的效率，特别是当使用合成金刚石材料作为散热器时。
根据以上，US9214407提出提供合成金刚石散热器，其中通过减少13C的量从而同位素提纯金刚石材料的表面热界面层(与非金刚石的热转移层接触放置)以具有提高的热导率，且由具有碳的天然同位素丰度(或至少不如表面热界面层被同位素提纯)的金刚石材料形成金刚石材料块体。当与由具有碳的天然同位素丰度的合成金刚石材料形成的散热器对比时，这样的散热器将具有改进的热量的热扩散特性。此外，这样的散热器将以一部分成本具有热量的热扩散性能接近在其整个厚度同位素提纯的金刚石散热器的热量的热扩散性能。
发明概述
US9214407之后，已经认识到实现其中所述的解决方案存在一些问题。同位素提纯的气体昂贵，即使使用这样的气体制造散热器中的相对薄的金刚石材料表面层。可通过在合成过程中将同位素提纯的气体从出口循环回CVD反应器的入口以限制合成同位素提纯的金刚石材料表面层所需要的同位素提纯的气体体积从而减轻这一问题。然而，已经发现了使用同位素提纯的碳源气体存在另外的问题。即，已经发现了同位素提纯的碳源气体的可商购得到的原料含有大量的杂质，特别是氮。对于CVD金刚石合成而言原料气体中的氮杂质是有问题的，因为使用这样的气体生长的CVD金刚石材料中包含氮以及其他相关缺陷。在金刚石晶格内除这样的缺陷之外，CVD合成气氛中杂质(例如氮)的存在可改变生长形态从而导致在热扩散应用中热性能的减少。例如，较低热导率多晶CVD金刚石材料与由大的柱形晶粒形成的较高热导率多晶CVD金刚石材料相比具有更小的晶粒尺寸和更高的氮含量。
根据以上，本发明的某些实施方案的目的是提供合成金刚石材料，其具有改进的热性能而没有显著提高制造成本并避免如以上概述使用同位素提纯的原料气体的问题，导致用于极端热管理应用更加商业可行的产品。根据本发明的一个方面，提供了合成金刚石散热器，该合成金刚石散热器包含：
形成基底支撑层的第一合成金刚石材料层；和
设置在该第一合成金刚石材料层上并形成金刚石表面层的第二合成金刚石材料层，
其中该金刚石表面层具有的厚度等于或小于该基底支撑层的厚度，
其中该金刚石表面层具有的氮含量小于该基底支撑层的氮含量，和
其中选择该金刚石表面层和该金刚石支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。
根据本发明的另外的方面，提供了包含如上限定的合成金刚石散热器和发热部件的器件，其中该金刚石表面层位于该发热部件附近，且该金刚石表面层靠近该发热部件的至少一部分。发热部件可包含电子半导体部件例如在电子器件中。或者，发热部件可包含光学部件例如在光学器件中。将该器件有利地安装在具有最高热导率的金刚石表面(经常是合成金刚石层的生长表面侧)上。然而，由于成本和产量而没有显著牺牲性能的原因，还设想可控制金刚石生长以在移动到较快生长速率之前对于首先的25至50％的总金刚石层厚度而言生长高的热导率金刚石材料，对于该层剩余部分生长较低热导率金刚石材料。在这样的替代构造中，最高热导率金刚石材料可位于朝向合成金刚石层的成核表面侧，并且将器件粘合至合成金刚石层的成核侧。当制造GaN在金刚石晶片上时可利用这样的构造，其中在移动到较高生长速率、较低热导率金刚石层之前在GaN晶片(或其他化合物半导体)上方初始生长高热导率金刚石材料层。
合成金刚石散热器还可包含与金刚石表面层接触设置的非金刚石的热转移层，用于将热从发热部件转移至该金刚石表面层中，该发热部件热耦合至非金刚石的热转移层。非金刚石的热转移层可为位于发热部件和金刚石表面层之间的金属化层或其他粘合层。或者，发热部件可形成与金刚石表面层接触设置的非金刚石的热转移层用于将热转移至表面层中。
根据本发明的又一个方面，提供了制造在如上限定的散热器中使用的合成金刚石材料的方法，该方法包括：
使用碳源气体在化学气相沉积反应器中生长合成金刚石材料；和
在生长过程中控制化学气相沉积反应器中的氮浓度以形成两层金刚石结构，该两层金刚石结构包括如之前限定的基底支撑层和金刚石表面层，其中选择该金刚石表面层和该金刚石支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。
应注意在本说明书中使用已知的激光闪光热导率测量方法在300K下进行热导率测量。
附图简要说明
为了更好地理解本发明和为了显示可如何实施本发明，现在将仅参考附图通过实例的方式来描述本发明的实施方案，其中：
图1说明在热衬底和上方的器件层之间的界面区域处的声子散射机制；
图2说明在热衬底和上方的器件层之间的界面区域处的声子传输的基本理论；
图3(a)和3(b)说明多晶CVD合成金刚石材料的热导率在从多晶CVD合成金刚石材料的成核面传递至多晶CVD合成金刚石材料的生长面时如何提高；
图4说明对于高热导率多晶CVD金刚石材料和较低热导率多晶CVD金刚石材料而言的不同晶粒结构；
图5说明按照本发明的实施方案的两层合成金刚石散热器结构；
图6(a)显示没有金刚石散热器的GaN在SiC上的RF功率放大器器件构造的实例(即不是根据本发明的)；
图6(b)显示具有金刚石散热器在CuW热封装顶部的GaN在SiC上的RF功率放大器器件构造的实例；
图7显示建模结果，其指出了对于各种类型的散热器而言以图6(a)和6(b)的器件构造为基础的最大结温(最大Tj(℃))；
图8显示最大结温(最大Tj(℃))随着较低热导率金刚石层(TM100或TM150，其分别具有1000W/mK和1500W/mK的热导率)上的高热导率金刚石层(TM250，其具有2500W/mK的热导率)的厚度如何变化的实例；
图9显示最大结温(最大Tj(℃))随着散热器的类型和散热器的尺寸两者如何变化的实例；和
图10显示对于两种不同尺寸的散热器而言最大结温(最大Tj(℃))随着较低热导率金刚石层(TM100或TM150)上的高热导率金刚石层(TM250)的厚度如何变化的实例。
详细描述
考虑到成本、热性能、介电载荷、封装制约、机械强度和热膨胀系数问题等，需要改进的热量的热扩散。重要的是注意到使用散热器的设计规则通常意味着除了简单的成本与热导率之外的考虑因素起作用。必须考虑甚至例如金刚石散热器脆性的问题。例如，虽然可采用50微米厚的金刚石散热器能够实现大多数热性能，但是这样的散热器或封装设计的脆性与介电载荷考虑因素一起导致大于热建模单独建议的厚度要求。
特殊类别的器件推动用于目前热管理解决方案的功率密度限制(kW/cm2)。这些包括射频(rf)器件、激光二极管、和硅器件。这些器件中的一些现在达到了目前热扩散技术的极限。此外，持续需要改进热性能同时减少成本。
对于合成金刚石材料的热性能而言的关键品质因数是热阻(TBR)和平均体热导率(TC)。为了高的热性能期望使热阻最小同时使平均体热导率最大，即TC/TBR尽可能大。在热管理中使用合成金刚石的任何几何结构中，这些性质起作用。例如，在金属化粘合途径中，金属的厚度、金属的热导率和界面热障都有助于总的热阻，而一旦热量通过界面，则热导率决定金刚石层的热扩散能力。
为了使热阻最小，期望材料之间的声速相匹配，显然对于合成金刚石材料而言最好的匹配是金刚石在金刚石上。然而，由于许多实际的和综合的原因，不得不做出妥协使用粘合材料，因此则期望有助于热阻的所有其他因素尽可能低。
在金刚石材料中有助于热阻和体热导率的因素是导致声子散射的那些。如之前在背景部分中指出的，在合成金刚石材料金刚石中这些因素包括：内在机制(例如由13C的天然丰度所致)，点缺陷(例如诸如氮的缺陷和空位相关的缺陷)，和扩展缺陷(例如堆垛层错和位错)。如此，在现有技术中认识到减少缺陷和/或制造同位素提纯的合成金刚石材料可改进热性能。
对于最高品质的单晶IIa型金刚石材料而言已经报道了高至2500W/mK的室温热导率值。与金属(其中由导带电子的移动性提供热导率)相比，电绝缘的金刚石材料中热转移仅由晶格振动(即声子)传送。金刚石材料的杰出热导率和其为2000K的高德拜温度的原因是形成其刚性结构的sp3键刚度以及碳原子的低质量。在大多数应用中，温度正好小于德拜温度并因此声子-声子散射小，导致在大的高纯度金刚石晶体中对以声子为媒介的热传输很小的阻抗。
外在声子散射机制是在较不纯的金刚石材料中的主要热阻源。对于单晶金刚石材料而言，在样品的边界处、杂质处、和空位处的散射是主要的贡献。对于多晶金刚石材料而言，额外的贡献由晶界、位错、和扩展缺陷处的散射引起。影响热导率的所有贡献取决于有贡献的声子的波长，并因此取决于样品的温度。因此，为了理解声子散射机制和它们的相对贡献，测量依赖于温度的热导率是最重要的。
热导率和热阻是宏观量，其通过以声子作为量子化的晶格振动为基础的热导率的气体动力学定义与微观性质相关。在这种物理情况下，可由以下描述热导率K
K＝(1/3)Cv2τ-1
其中C是声子对每单位体积热容量的贡献，v是声子的速度，和τ是声子散射率。因为具有不同波长(其在温度依赖谱上变化)的声子有助于热传输，可通过在依赖于温度的德拜声子波长谱上积分给出根据Klemens-Callaway模型的K的更完整的描述。
声子-声子散射发生在金刚石材料中的空位和杂质位点处，其中散射率取决于声子的波长。对于扩展缺陷例如具有比晶格振动的波长小得多尺寸的外来或无序原子的团簇或聚集而言，散射与点缺陷处的散射类似。对于在尺寸上与扩展缺陷类似的声子波长而言，散射率变为不依赖于声子波长。位错是热阻的另一种来源，因为声子在位错附近的应变场中被散射。在最低温度下边界处散射是最重要的，在最低温度下声子波长与晶体的几何尺寸相当或大于晶体的几何尺寸。反射的类型即镜面反射或漫反射关键取决于边界的显微组织并决定对热阻的影响。
在高品质材料中，由晶体的纯度决定热导率。降低热导率的最重要的杂质是氮、氢、和碳的13C同位素。最纯的IIa型材料具有最高的热导率，而在具有氮杂质的Ia型和Ib型材料中热导率显著较低。若干小组已经测量了随温度变化的天然单晶金刚石的热导率。
图1说明在热衬底和上方的器件层之间的界面区域处的声子散射机制。所说明的器件结构包含设置在金刚石衬底层上方的氮化镓缓冲层，其之间设置有过渡层。位于氮化镓层内的声子传播至过渡层中并经历界面散射、杂质散射、晶界散射、和晶体缺陷散射。位于过渡区域内的声子然后传播至衬底层中并还经历包括在金刚石衬底内通过表面粗糙部分(roughness)和近界面无序的散射机制。
图2说明在热衬底和上方的器件层之间的界面区域处的声子传输的基本理论。对声子玻尔兹曼传输方程的近似解包括作为热容量、群速度、和散射时间的函数的项。散射项将包括来自一系列散射机制的贡献，其包括如所说明的声子-声子散射、声子-点缺陷散射、声子-位错散射、和声子-边界散射。这种分析取自J.Callaway，Physic.Rev，第113卷，1959年。在现有技术中对设置在碳化硅衬底上方的氮化镓层(其间设置有氮化铝界面层)进行了这种分析。然而，该分析同样可适用于金刚石热扩散衬底，并且确实如之前所述，对于金刚石材料而言热界面处的散射效应可为更重要的。
已知多晶CVD合成金刚石晶片的成核面具有比多晶CVD合成金刚石晶片的生长面更小的晶粒尺寸和更低的热导率。图3(a)和3(b)说明多晶CVD合成金刚石材料的热导率在从多晶CVD合成金刚石材料的成核面传递至多晶CVD合成金刚石材料的生长面时如何提高。如此，如果应选择多晶CVD合成金刚石晶片的哪个面定位于靠近发热部件，技术人员会选择具有更大晶粒尺寸和更低晶体缺陷含量的生长面。
最高品质的多晶CVD合成金刚石材料还可具有热导率，其中由点缺陷所致的声子过程是主要的(如果不是主要的)减小热导率和热阻的散射机制之一。在这一方面，可注意到认为由扩展缺陷支配较低品质多晶CVD合成金刚石材料的热导率，而点缺陷可支配高品质多晶CVD合成金刚石材料的热导率。
图4说明对于高热导率“光学级”多晶CVD金刚石材料(图4左手侧)和较低热导率“机械级”多晶CVD金刚石材料(图4右手侧)而言的不同晶粒结构。如清楚说明的，高热导率“光学级”多晶CVD金刚石材料由大的柱形晶粒组成。与此相比，较低热导率“机械级”多晶CVD金刚石材料由具有较随机晶粒结构的较小晶粒组成。
图5说明按照本发明的实施方案的两层合成金刚石散热器结构。该结构包含较低热导率多晶CVD金刚石材料的基底层和较高热导率多晶CVD金刚石材料的表面层。基底层由与由大的柱形晶粒组成的表面层相比具有更随机晶粒结构的更小晶粒组成。基底层还包含比表面层更高的氮含量。可在单个CVD生长工艺中通过在该生长工艺中中途改变生长条件从而将较高氮、较高生长速率的合成工艺转变至较低氮、较低生长速率的合成工艺从而合成这样的结构。或者，可在基底层的生长之后将晶片从CVD反应器移除并在表面层的生长之前加工表面。
提供了合成金刚石散热器，其包含：
形成基底支撑层的第一合成金刚石材料层；和
设置在该第一合成金刚石材料层上并形成金刚石表面层的第二合成金刚石材料层，
其中该金刚石表面层具有的厚度等于或小于该基底支撑层的厚度，
其中该金刚石表面层具有的氮含量小于该基底支撑层的氮含量，和
其中选择该金刚石表面层和该金刚石支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK、任选地1000W/mK至1500W/mK范围内，和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK、任选地1900W/mK至2500W/mK或2000W/mK至2200W/mK范围内。
通过以下制造合成金刚石散热器：使用碳源气体在化学气相沉积反应器中生长合成金刚石材料；和在生长过程中控制该化学气相沉积反应器中的氮浓度以形成两层金刚石结构，其包括基底支撑层和金刚石表面层，其中选择该金刚石表面层和该基底支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。
计算了如本文所述的层的组合以提供完全由高热导率金刚石材料制造的散热器的大多数的热益处同时提供显著的成本减少。重要的是注意到某些类别的功率器件通常产生小的热点，其需要与总厚度(其可大于散热器的优化厚度)一致的最大热扩散能力，而有竞争力的成本地位意味着需要10-50％的成本减少选择。在这一方面，高热导率金刚石材料通常生长缓慢，意味着厚的(例如1mm)金刚石散热器不仅比较薄的替代物更贵而且具有对生产能力的显著影响。如此，发现了有利的是提供金刚石散热器，其包含较低等级和较高等级的金刚石材料(其有利于在单次生长运行中生长)以提供与高金刚石等级的均匀散热器相当的热性能与减少的成本和提高的容量/反应器的益处。这种解决方案比之前公开的同位素提纯途径有利，与本文所述解决方案相比，该同位素提纯途径没有提供较高的生长速率和相同的减少的成本和提高的容量/反应器。本发明的实施方案对于需要具有超过1500W/mK热导率的散热器的那些类别的器件特别相关。
金刚石表面层的氮含量可在0.25-5ppm(如通过EPR测量的NS 0)范围内。此外，基底支撑层的氮含量可在2-10ppm(如通过EPR测量的NS 0)范围内。这可通过在制造工艺中中途从较高氮含量CVD生长配方转变至较低氮含量生长配方来实现。对于多晶CVD金刚石散热器而言，金刚石表面层的平均晶粒尺寸大于基底支撑层的平均晶粒尺寸。关于它们的晶粒织构以及经由氮浓度测量可容易辨别两个金刚石材料层。
基底支撑层可具有不小于50μm、100μm、130μm、150μm、180μm、200μm、250μm、350μm、500μm、或1000μm，任选地小于3000μm的厚度。合成金刚石材料厚度的至少50％、60％、70％、80％、或90％可由基底支撑层形成。基底支撑层的厚度将依赖于用于特定最终应用的热性能要求和机械强度要求两者。热应用经常需要最小的金刚石材料总厚度以便实现来自利用金刚石材料的最大热益处。例如，在某些射频功率器件中发现了需要约150μm的金刚石散热器厚度以实现来自利用金刚石材料的最大热益处，但热阻仅由首先的几微米支配。另外，对于某些应用而言将需要合成金刚石材料具有可形成独立的晶片的充足的机械强度。与此同时，应认识到除非对于特定应用所需否则不应使合成金刚石材料过厚，因为这将提高成本。可设想通过将本发明应用于需要相对厚的金刚石晶片的构造将实现最大的益处，所述金刚石晶片完全由高纯度、低氮、高热导率合成金刚石材料生长将非常昂贵。
金刚石表面层可具有不大于300μm、250μm、200μm、150μm、100μm、或50μm，任选地不小于20μm的厚度。提高金刚石表面层的厚度可提高散热器的热性能但伴随着成本的相关提高。如此，除金刚石表面层的精确氮含量之外，金刚石表面层的精确厚度将取决于对于特定应用而言的成本与性能分析。
根据某些实施方案，合成金刚石材料仅包括两个层，即如之前限定的基底支撑层和金刚石表面层。然而，在某些实施方案中可提供另外的层。也就是说，为了实现高热性能和低制造成本的组合，较便宜的基底支撑层应形成合成金刚石材料的主要部分。
就上述而言，重要的是注意可在按照本发明形成的具有不同热导率的两个金刚石材料层之间确定过渡区域。过渡不会比在合成工艺中过渡的开始处金刚石表面的粗糙部分花费更少一些的时间。在多晶CVD金刚石生长过程中金刚石表面粗糙部分为金刚石材料生长厚度的大约10％。因此，对于300微米厚度的初始金刚石层而言，可过渡至具有不同热导率的第二金刚石材料层的最快的一个是在300微米厚度的初始层上方生长30微米之后。如此，当金刚石材料的初始层厚度是300微米时至少30微米厚度的过渡区域将存在于最终产物中。
关键注意使过渡尽可能突然是重要的。这部分地受发展织构和晶粒粗糙部分影响。虽然可通过停止合成工艺、加工生长平面、并然后在所加工的表面上开始新的合成运行减少这些，但是其成本和复杂性是不期望的，即使作为选择。在生长过渡从金刚石材料层1至层2的情况下，需要从层1的平均体热性质移动至层2的由平均生长厚度限定的过渡层为<30％，优选<20％，且最优选<15％的层1厚度。
合成金刚石材料可为多晶CVD合成金刚石材料。多晶CVD合成金刚石材料可具有至少50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、或140mm，任选地小于200mm、150mm、或145mm的最大线性尺寸。或者，合成金刚石材料可为单晶CVD合成金刚石材料。
合成金刚石散热器还可包含与金刚石表面层接触设置的非金刚石的热转移层，用于将热从发热部件转移至金刚石表面层中，该发热部件热耦合至非金刚石的热转移层。可将非金刚石的热转移层粘合至合成金刚石材料的表面层或仅放置与合成金刚石材料的表面层接触。
非金刚石的热转移层可包含以下至少一者：金属层、硅或碳化硅层、化合物半导体层、或胶黏剂。例如，非金刚石的热转移层可包含设置在合成金刚石材料的表面层上的金属层。这可通过表面层的金属化(例如钛/铂/金金属化)实现。可将这样的金属化图案化并且这样的金属化可用于提供粘合和/或电连接。或者，非金刚石的热转移层可包含无机层例如硅或碳化硅层，其可用作在其上的化合物半导体器件层结构的后续沉积的生长层。
非金刚石的热转移层可包含一种或多种化合物半导体层，例如一种或多种氮化物层(包括氮化镓)。这样的材料对于在需要高效热量的热扩散的高功率电子应用中使用是有利的。可放置这些化合物半导体层直接与合成金刚石材料的表面层接触或通过之前所述的金属层或无机层粘合这些化合物半导体层。
当在高功率密度下工作时并特别地当集成至高功率密度半导体部件中时最好地实现了本发明的有利技术效果。半导体部件的等价CW面功率密度可为至少1kW/cm2、2kW/cm2、5kW/cm2、10kW/cm2、20kW/cm2、50kW/cm2或100kW/cm2、1MW/cm2、2MW/cm2、4MW/cm2、6MW/cm2、8MW/cm2、或10MW/cm2。或者或另外地，半导体部件的线功率密度可为至少1W/mm、2W/mm、2.5W/mm、3W/mm、4W/mm、6W/mm、8W/mm、或10W/mm。发现了大体上功率密度越大，邻近半导体器件部件使用非常高热导率金刚石表面层的益处越大。最适合的功率密度限定将取决于半导体器件的类型。对于高功率密度RF器件而言，经常将功率密度限定为就瓦特每单位栅极宽度而言的线性功率密度。然而，对于其他器件例如激光二极管、发光二极管、电开关和微处理器而言，面功率密度测量更合适。在后一种情况下无论是发光或电流切换关键的是有源区域的面积。
又一种替代是放置合成金刚石材料的表面层与光学部件(例如镜子、透镜、棱镜、标准具、光学窗口、或激光材料)接触。在这种情况下光学部件可形成非金刚石的热转移层。这样的构造在高能光学应用中是有利的，在高能光学应用中光学部件可经受加热(其需要非常高效的热量的热扩散)以防止不利的效应例如光吸收提高和/或热透镜效应。
通过实例的方式，在具有和不具有金刚石散热器的情况下进行了目前rf器件构造的建模，并与分等级的金刚石散热器对比，其中高/低热导率金刚石层的厚度是灵敏度分析的一部分。
分析显示了如本文所述的分等级的金刚石散热器产生与均匀的高热导率金刚石散热器类似的热性能与材料成本减少和容量提高的显著益处。使用对于由1500W/mK基底金刚石层和较高热导率金刚石表面层组成的金刚石散热器而言的生产成本模型显示材料成本减少>20％以及等效的>1.5倍的生产能力提高的路线。
基准器件是没有金刚石散热器的如图6(a)中所示真实封装上的GaN在SiC上的RF功率放大器。图6(b)显示具有金刚石散热器(具有6mm x 4mm x 0.5mm尺寸)在CuW热封装顶部的对照器件。对于可从Element Six Limited商购得到的金刚石材料等级的各种组合进行建模。结果示于图7中，显示对于以下器件构造而言的最大结温(最大Tj(℃))：在CuW封装上不具有散热器(>210℃)，使用铜散热器(大约200℃)，使用各种等级的金刚石散热器(对于TM250而言最大Tj减小至大约163℃)，和使用按照本发明的各种分等级的金刚石衬底。重要的是，显示对于某些分等级的构造例如具有50％TM150和50％TM250的层状结构而言，最大结温接近完全由更昂贵的TM250制成的散热器所实现的温度，并提供与不具有金刚石散热器的器件相比最大结温的20％的减小。
图8显示最大结温(最大Tj(℃))随着较低热导率金刚石层(TM100或TM150)上的高热导率金刚石层(TM250)的厚度如何变化的实例。显而易见，100微米厚的TM250层在400微米厚的TM150层顶部产生与500微米厚的TM250散热器相同的热性能。如果将TM100金刚石材料用作基底层，则250微米厚的TM250层在250微米厚的TM100层上产生与500微米厚的TM250散热器相同的热性能。
图9显示最大结温(最大Tj(℃))随着散热器的类型和散热器的尺寸(将6mm x 4mm散热器与10mm x 10mm尺寸散热器相比)如何变化的实例。结果指出可将分等级的金刚石散热器途径有效地扩展至不同尺寸的散热器，并且可通过移动到更大的散热器实现最大结温的进一步减小。与不具有散热器的器件构造相比，对于较大的散热器实现了最大结温的25％的减小，并且对于较小的散热器实现了最大结温的20％的减小。
图10显示对于两种不同尺寸的散热器而言最大结温(最大Tj(℃))随着较低热导率金刚石层(TM100或TM150)上的高热导率金刚石层(TM250)的厚度如何变化的实例。再一次，结果指出可将分等级的金刚石散热器途径有效地扩展至不同尺寸的散热器。
定制如本文所述合成金刚石散热器以产生优异的热性能同时没有引起大量的成本提高(否则会使材料商业上不可行)。通过仅在热界面区域将热性能的改进作为目标，它们实现了特征的有利组合。在使用中，可提供包含如本文所述合成金刚石散热器和发热部件的器件，其中合成金刚石材料位于发热部件附近，且金刚石表面层靠近发热部件的至少一部分。例如，可通过金刚石表面层将合成金刚石材料粘合至发热部件。
虽然参考优选实施方案特别显示和描述了本发明，但是对于本领域技术人员应理解可做出在形式和细节上的各种改变而没有脱离如通过所附权利要求限定的本发明的范围。

Claims (15)

1.合成金刚石散热器，该合成金刚石散热器包含：
形成基底支撑层的第一合成金刚石材料层；和
设置在该第一合成金刚石材料层上并形成金刚石表面层的第二合成金刚石材料层，
其中该金刚石表面层具有的厚度等于或小于该基底支撑层的厚度，
其中该金刚石表面层具有的氮含量小于该基底支撑层的氮含量，和
其中选择该金刚石表面层和该金刚石支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。
2.根据权利要求1的合成金刚石散热器，其中该金刚石表面层的氮含量在0.25至5ppm范围内。
3.根据权利要求1或2的合成金刚石散热器，其中该基底支撑层的氮含量在2至10ppm范围内。
4.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该金刚石表面层的热导率在2000W/mK至2200W/mK范围内。
5.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1500W/mK范围内。
6.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该基底支撑层具有不小于50μm、100μm、130μm、150μm、180μm、200μm、250μm、350μm、500μm、或1000μm的厚度。
7.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中合成金刚石材料厚度的至少50％、60％、70％、80％、或90％由该基底支撑层形成。
8.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该金刚石表面层具有不大于300μm、250μm、200μm、150μm、100μm、或50μm的厚度。
9.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中合成金刚石材料是多晶CVD合成金刚石材料。
10.根据权利要求9的合成金刚石散热器，其中该多晶CVD合成金刚石材料具有至少50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、或140mm的最大线性尺寸。
11.根据权利要求1至8中任一项的合成金刚石散热器，其中该合成金刚石材料是单晶CVD合成金刚石材料。
12.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该合成金刚石散热器还包含与该金刚石表面层接触设置的非金刚石的热转移层，用于将热从发热部件转移至该金刚石表面层中，该发热部件热耦合至该非金刚石的热转移层。
13.根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器，其中该非金刚石的热转移层包含以下至少一者：
金属层；
硅或碳化硅层；
化合物半导体层；或
胶黏剂。
14.包含根据前述权利要求任一项的合成金刚石散热器和发热部件的器件，其中该合成金刚石散热器位于该发热部件附近，其中该金刚石表面层靠近该发热部件且该基底支撑层远离该发热部件。
15.制造根据权利要求1至13中任一项的合成金刚石散热器的方法，该方法包括：
使用碳源气体在化学气相沉积反应器中生长合成金刚石材料；和
在生长过程中控制该化学气相沉积反应器中的氮浓度以形成两层金刚石结构，该两层金刚石结构包括基底支撑层和金刚石表面层，其中选择该金刚石表面层和该基底支撑层的氮含量使得该基底支撑层的热导率在1000W/mK至1800W/mK范围内和该表面支撑层的热导率在1900W/mK至2800W/mK范围内。
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