[发明专利]合成金刚石散热器

说明书

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。

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。