Thermal Conductivity of CVD Diamond: Methods and Results

Following constant improvement in the synthesis methods of diamond in metastable conditions by chemical vapour deposition, it is nowadays possible to grow polycrystalline diamond with thermal conductivities of over 20 W K−1 cm−1. This gives rise to applications of this material in the thermal management of components in optronics and microelectronics. Reliable, precise thermal characterization methods are therefore needed. However, measuring the thermal conductivity of CVD diamonds is a non-trivial task: the high conductivity makes it difficult to establish a measurable thermal gradient and furthermore, the different experimental setups are differently sensitive to the particular polycrystalline structure of the layers. A recent round-robin test revealed considerable differences in the values measured using the different techniques. In this paper the principal measuring methods for the thermal conductivity of CVD diamonds are reviewed and compared. Then the influence of the microstructure on the thermal properties as well as the correlations with the presence of impurities and crystal defects detected by Raman and luminescence spectroscopy are discussed. Les methodes de synthese par depǒt chimique en phase vapeur dans des conditions metastables ont fait de tels progres qu'il est aujourd'hui possible de faire pousser des couches de diamant polycristallin dont la conductivite thermique depasse 20 W K−1 cm−1. Cette valeur elevee ouvre un large champ d'applications dans le domaine de L'optronique et de la micro-electronique. Un besoin grandissant de methodes de caracterisation thermique fiables et precises se fait sentir. Cependant, mesurer la conductivite thermique d'un materiau est une tache ardue: il est en effet difficile d'etablir un gradient thermique vu la forte conductivite thermique des echantillons. De plus, la structure polycristalline des couches peut affecter plus ou moins les differents montages experimentaux. Recemment, un test comparatif a revele des differences considerables dans les resultats obtenus par les differentes techniques. Dans ce papier, nous voulons passer en revue et comparer les methodes de mesure utilisees pour la determination de la conductivite thermique du diamant CVD. Nous discuterons L'influence de la microstructure sur les proprietes thermiques et etablirons des correlations avec la presence d'impuretes et de defauts dans le cristal detectes par spectroscopie Raman et de luminescence.