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【DT半導體】獲悉，在當今科技飛速發(fā)展的時代，電子器件的性能提升備受關注，而散熱問題始終是制約其發(fā)展的關鍵因素之一。 氮化鎵（GaN）作為高頻、高功率微波功率器件的理想材料，在眾多領域有著廣泛應用。 然而，隨著GaN HEMT（高遷移率晶體管）器件功率密度及頻率的不斷提高，散熱問題日益凸顯，已成為性能進一步提升的瓶頸。
在此背景下，金剛石基GaN技術應運而生，其憑借金剛石超高的熱導率，有望解決散熱難題，為電子器件的發(fā)展帶來新的曙光。
技術途徑概述
以金剛石作為散熱襯底解決 GaN HEMT 器件散熱問題主要有三種技術途徑：金剛石襯底上 GaN 外延、金剛石與 GaN 的直接鍵合、GaN 底部金剛石厚膜的生長。?其中，金剛石與 GaN 之間存在大的品格失配與熱失配，導致在金剛石表面進行 GaN 外延難度極大，難以獲得高質量外延層，雖國內外開展大量研究但未取得實質性突破。目前，GaN 底部直接進行金剛石的生長以及 GaN 與金剛石多晶襯底的鍵合成為金剛石基 GaN 的主要技術途徑。
兩種方式中都需要完成碳化硅基GaN外延片與臨時載體的鍵合，以及原始碳化硅襯底的去除。在以鍵合或直接生長方式實現(xiàn)GaN與金剛石的集成以后，去除臨時載體，獲得金剛石基GaN外延片。
1、鍵合方式：碳化硅襯底去除以后，通過常溫或高溫鍵合方式實現(xiàn)金剛石與GaN外延層的鍵合；2、直接生長方式：完成碳化硅襯底的去除以后，通過微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）方式在GaN底部進行金剛石厚膜的沉積，金剛石厚度一般為100～150μm。
金剛石與GaN的直接鍵合
1、鍵合方式及特點目前金剛石與GaN的直接鍵合有多種方式，其中室溫表面活化鍵合（SAB）研究最為廣泛。這種方法通過原子清潔和激活表面進行鍵合，不同材料在室溫下建立高度牢固的化學鍵。優(yōu)勢：能有效避免金剛石與 GaN 之間熱失配造成的晶圓變形和 GaN 外延層損傷，且鍵合用金剛石多晶襯底質量高、熱導率高，能充分發(fā)揮金剛石的高熱導性能。
2、研究現(xiàn)狀及成果SAB技術近年來成為國內外研究熱點，眾多研究機構開展相關研究。日本在該領域代表國際最高水平，如大阪市立大學基于單晶金剛石，采用SAB技術實現(xiàn)了GaN與金剛石的鍵合。但目前受大尺寸、高表面加工質量金剛石多晶襯底缺乏的限制，SAB鍵合結果多基于小尺寸金剛石單晶開展。
3、國內外企業(yè)現(xiàn)狀
三菱電機：三菱電機與美國國家先進工業(yè)科學與技術研究所（AIST）合作，開發(fā)出了一種直接鍵合在高導熱性單晶金剛石襯底上的多單元結構氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN-HEMT）。
中科院微電子研究所：該研究所的高頻高壓中心研究員劉新宇團隊與日本東京大學鹽見淳一郎團隊合作，創(chuàng)新地使用表面活化鍵合法（SAB），以納米非晶硅為介質，在室溫下達成了氮化鎵 - 金剛石鍵合，并且系統(tǒng)揭示了退火中鍵合結構的界面行為及其影響熱導和熱應力的機理。
天津中科晶禾公司：與中科院微電子所的合作中，在厚膜氮化鎵（GaN）與多晶金剛石直接鍵合技術領域取得進展。采用先進的動態(tài)等離子體拋光（DPP）技術處理多晶金剛石表面，并結合表面活化鍵合方法，在室溫下實現(xiàn)了厚膜 GaN 與多晶金剛石襯底的直接鍵合。
化合積電（廈門）半導體科技有限公司：在金剛石和氮化鎵的三種結合方案（將金剛石鍵合到 GaN 晶片或直接鍵合到 HEMT 器件、在單晶或多晶金剛石襯底上生長 GaN 外延、在 GaN 的正面或背面上生長納米晶或多晶金剛石）中均取得成功。
GaN底部直接生長金剛石
1、研究歷程及關鍵發(fā)現(xiàn)該方法由美國的Group 4團隊發(fā)明。2005年，在美國DARPA支持下，他們獲得世界首個基于GaN底部直接生長的10mm×10mm金剛石基GaN外延片，并得出以下結論：
- GaN可長時間暴露在600°C以上高溫環(huán)境且保持材料質量及電學性能穩(wěn)定。金剛石與GaN的熱失配不會造成GaN HEMT器件性能下降。金剛石可在GaN/Si結構上實現(xiàn)厚膜沉積。
2、商業(yè)化進展及性能對比2013年，Group 4團隊實現(xiàn)4英寸金剛石基GaN外延片的量產。為驗證散熱性能，他們將金剛石基GaN HEMT器件與SiC基GaN HEMT器件對比，結果顯示金剛石基GaN HEMT器件在相同輸出功率密度下，結溫峰值更低，散熱性能優(yōu)勢明顯。
當輸出功率密度同為4.2W/mm 時，柵長10μm的金剛石基GaN HEMT器件結溫峰值僅比柵長30μm的SiC基GaN HEMT器件高6.3°C；柵長同為30μm時，前者結溫峰值比后者降低8.5°C。2012年，韓國 RFHIC公司購買該技術專利，并于2022年實現(xiàn)23W/mm@2GHz的輸出功率密度。
最后
金剛石基GaN技術的出現(xiàn)，為電子器件散熱問題提供了極具潛力的解決方案。盡管當前仍面臨一些挑戰(zhàn)，如鍵合技術中的襯底尺寸限制、生長技術中的工藝優(yōu)化等，但隨著研究的持續(xù)深入和技術的不斷創(chuàng)新，這些問題有望逐步攻克。我們有理由相信，金剛石基 GaN 技術將在未來電子器件領域大放異彩，推動雷達、5G 通信、航空航天等行業(yè)邁向新的高度。
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