“深藏不露”的高导热材料——碳化硅

在工业加工、国防军事、生物医疗、科学研究等领域广泛应用的大功率半导体激光器，其封装后的热管理问题一直是一个瓶颈，解决该问题的关键在于搭配具有散热性能更好、高温下性质更稳定的热沉器件。

碳化硅热沉的核心竞争力

热沉作为传热的核心载体，其性能直接决定了热管理效果。当前主流方案的技术短板已逐渐凸显。铜、铝等金属热沉虽成本低廉，但热膨胀系数与GaN、InP等增益介质匹配性差，易在温度循环过程中产生热应力集中；氮化铝（AlN）陶瓷热沉的界面热阻控制与结构稳定性，难以满足千瓦级以上功率激光系统的严苛需求；化学气相沉积（CVD）金刚石虽导热性能优异，但制备成本高昂、3inch以上晶圆缺陷控制还处于攻关阶段。

相比之下，碳化硅（SiC）热沉展现出综合优势。

首先，热学参数匹配性优异，性能平衡度突出。SiC热沉的室温热导率可达360-490 W·m-1·K-1，与传统高热导材料铜（397 W·m-1·K-1）处于同一水平，是常用金属铝（217 W·m-1·K-1）的1.66-2.26倍，为高功率激光系统的高效热传导提供了坚实保障。

在热膨胀系数匹配性上，SiC取值范围为3.8-4.3×10-6K-1，与GaN（3.17×10-6K-1）、InP（4.6×10-6K-1）等激光增益介质的参数高度契合，远优于铜（16.5×10-6K-1）和铝（23.1×10-6K-1），可有效降低界面热应力。

与CVD金刚石和AlN相比，SiC的性能平衡优势更为凸显：CVD金刚石虽热导率极高（2000 W·m-1·K-1），但其热膨胀系数（1.0×10-6K-1）与Yb:YAG（6.8×10-6K-1）严重失配；AlN的热膨胀系数（4.5×10-6K-1）与SiC接近，但其热导率（180W·m-1·K-1）仅为4H-SiC的45%，散热效率大幅受限。这种"高热导+优匹配"的双重特性，使SiC成为热学性能平衡的优选材料。

其次，环境适应性强，服役稳定性可靠。SiC兼具优异的耐氧化、抗辐射性能，莫氏硬度高达9.2，可耐受高功率激光系统的高温、强辐射等恶劣工况，可支撑激光系统的长期稳定运行，降低运维成本。相比之下，传统金属热沉存在明显短板：铜热沉易发生氧化腐蚀，导致界面热阻随服役时间逐年上升，散热性能持续衰减；铝热沉则机械强度不足，布氏硬度仅约20~35 HB，易在装配和使用中产生形变。

第三，键合工艺兼容性佳，工程应用门槛低。目前，SiC与激光增益介质可通过金属化键合、直接键合、共晶键合等多种工艺路径，实现与GaN、InP等化合物半导体的低界面热阻集成。这种多元化的工艺适配能力，为异质集成方案的个性化设计提供了充足空间。同时，成熟的键合技术体系进一步降低了SiC热沉的工程化应用门槛，便于与现有半导体制造产线兼容，加速其从实验室研发向实际工程应用的转化进程。

正是基于上述特性，SiC已成为高功率激光器热沉的理想选择，广泛应用于半导体激光器（LD）、碟片激光器（TDL）及垂直腔面发射激光器（VCSEL）等核心器件中。

SiC热沉制备与应用场景适配

SiC作为宽禁带半导体材料，具备3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC等多种晶型，制备方法及性能特性存在差异，为热沉的场景化适配提供了基础。

（1）物理气相传输法（PVT）：在2000°C以上高温制备，产物为4H-SiC和6H-SiC，热导率达300-490W·m-1·K-1，兼具较高导热性能与机械强度，适用于对结构稳定性要求严苛的高功率激光器件。

（2）液相外延法（LPE）：制备温度相对温和，处于1450-1700°C区间，可精准调控3C-SiC和4H-SiC晶型，热导率为320-450 W·m-1·K-1。在晶型一致性要求高的高功率、高稳定性、长寿命型高端激光器件中优势明显。

（3）化学气相沉积法（CVD）：可制备高纯4H-SiC和6H-SiC，热导率达350-500 W·m-1·K-1。高热导解决了热量导出问题，而尺寸稳定性则解决了热量导出后材料自身不变形，两者结合才能确保高功率激光器件在严苛工况下的长期稳定运行。凭借高热导与尺寸稳定性等双重优势，基于CVD技术制备的SiC成为兼顾性能与可靠性的优选方案。

小结

SiC凭借热学参数匹配性优、环境适应性强、工艺兼容性好等三重核心优势，成为高功率激光系统热沉的理想选择。在异质键合器件制作中，充分利用不同晶型、不同晶向SiC晶体的热膨胀系数差异化特性，实现最优界面匹配和最佳散热性能。

参考来源：

吴鑫昌等：SiC基复合器件在高功率激光系统中的集成应用，云南大学

李星宇：基于宽禁带SiC材料的高热导率热沉器件研究，济南大学