随着5G通信、快速充电和微型LED显示器的快速发展，氮化镓（GaN）半导体设备在高功率、高频电子和光电子设备中应用广泛。然而，GaN的低热导率导致运行过程中热量积聚，严重影响设备性能和使用寿命。为解决这一问题，研究者尝试将金刚石材料引入热管理，但直接在GaN上沉积金刚石存在界面热阻高、热扩散系数不匹配等问题。传统的缓冲层材料（如SiC、Si3N4）虽然能降低热边界阻力，但仍需优化界面性能。为解决上述问题，来自中山大学季华实验室的郭可升老师团队提出了一种新型金刚石和四面体非晶碳（ta-C）复合涂层结构，通过优化TaC过渡层和金刚石层的界面特性，有效降低热边界阻力，提升热散发效率，为GaN设备的热管理提供了新的解决方案；相关研究成果发表在最新一期的《Surface & Coatings Technology》，标题为“Novel diamond and Tasingle bondC composite coatings for efficient heat dissipation in GaN semiconductor devices”。
研究中，通过滤波阴极真空弧（FCVA）法在GaN表面沉积了厚度为10–100 nm的致密无孔四面体非晶碳（ta-C）薄膜，sp³键含量约为55%，薄膜厚度在10~100nm之间。随后，采用微波等离子化学气相沉积（MPCVD）法在Ta-C层上沉积了厚度约2.8 μm的金刚石薄膜，形成金刚石/Ta-C/GaN复合结构。实验结果表明，该复合结构的热边界阻力（TBR）显著降低至约13 m²K/GW，显示出优异的热传导性能。
金刚石、Ta-C 和 GaN 半导体器件的薄膜层示意图结构。
光滑、致密和平坦的 Ta-C 薄膜的 SEM 表面显微照片 （a）;Ta-C 薄膜的拉曼光谱 （b）;沉积在 GaN 器件上的 Ta-C 薄膜（厚度约 10 nm）的 STEM 横截面显微照片 （c）;碳的 EDS 含量分布 （d）;Ta-C 和 GaN 薄膜的电子衍射光斑图 （e）;沉积在 GaN 器件上的 Ta-C 薄膜（厚度约 100 nm）的 STEM 横截面显微照片 （f）;EDS 含量（C、Ga 和 Al 元素）分布 （g）。
不同 Ta-C 薄膜对 GaN 器件加热后金刚石/Ta-C/GaN 表面热扩散影响的模拟：不含 ta-C 和金刚石薄膜的 GaN 器件的温度分布 （a）;金刚石/Ta-C/GaN 与 100 nm ta-C 薄膜的温度分布 （b）;金刚石/Ta-C 与 10 nm Ta-C 薄膜/GaN （c） 的温度分布;金刚石/Ta-C/GaN 在 10 nm 和 100 nm Ta-C 薄膜上的温度分布曲线 （d）。
此外，研究发现Ta-C表面在氢等离子体处理后会转变为超纳米晶金刚石（UNCD），从而与金刚石层融合，进一步降低了界面热阻。通过有限元模拟和实验测试，10 nm厚度的ta-C薄膜表现出最佳的热传导效果。这种复合结构不仅提高了热散发效率，还通过优化界面匹配减少了热应力，为GaN器件的高效热管理提供了有效解决方案。
NCD、Ta-C 和 GaN 层的 EDS 含量 （Ga、N 和 C 元素） 分布 （a）;金刚石薄膜沉积后 GaN 器件上 10 nm Ta-C 薄膜的 STEM 横截面微观形态 （b）;NCD 层和 Ta-C 层之间界面的扩大形态 （c）;NCD、Ta-C 和 GaN 层的电子衍射光斑图 （d）;在微波等离子体环境中从无定形转变为超纳米晶的 Ta-C 薄膜的 SEM 表面形貌 （e）。
研究提出的Ta-C过渡层方案为GaN及其他半导体的热管理提供了新的设计思路，也表明碳化钽（Ta–C）材料对于新一代半导体行业发展具有重要意义。以本研究为例，Ta–C作为过渡层的应用，展示了其在调节不同材料界面热应力和优化热传导性能方面的潜力。这为碳化钽材料在高温、高频电子器件中的应用开辟了新的可能性。我司主打产品五氯化钽，是制备高品质碳化钽粉体或者涂层的重要原材料。
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