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       在当今科技飞速发展的时代，电子器件的性能提升备受关注，而散热问题始终是制约其发展的关键因素之一。 氮化镓（GaN）作为高频、高功率微波功率器件的理想材料，在众多领域有着广泛应用。 然而，随着GaN HEMT（高迁移率晶体管）器件功率密度及频率的不断提高，散热问题日益凸显，已成为性能进一步提升的瓶颈。 在此背景下，金刚石基GaN技术应运而生，其凭借金刚石超高的热导率，有望解决散热难题，为电子器件的发展带来新的曙光。

       技术途径概述

       以金刚石作为散热衬底解决 GaN HEMT 器件散热问题主要有三种技术途径：金刚石衬底上 GaN 外延、金刚石与 GaN 的直接键合、GaN 底部金刚石厚膜的生长。 其中，金刚石与 GaN 之间存在大的品格失配与热失配，导致在金刚石表面进行 GaN 外延难度极大，难以获得高质量外延层，虽国内外开展大量研究但未取得实质性突破。 目前，GaN 底部直接进行金刚石的生长以及 GaN 与金刚石多晶衬底的键合成为金刚石基 GaN 的主要技术途径。

金刚石基GaN的实现途径  图源：论文

       如上图，两种方式中都需要完成碳化硅基GaN外延片与临时载体的键合，以及原始碳化硅衬底的去除。 在以键合或直接生长方式实现GaN与金刚石的集成以后，去除临时载体，获得金刚石基GaN外延片。       

       1、键合方式：碳化硅衬底去除以后，通过常温或高温键合方式实现金刚石与GaN外延层的键合；

       2、直接生长方式：完成碳化硅衬底的去除以后，通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方式在GaN底部进行金刚石厚膜的沉积，金刚石厚度一般为100～150μm。

       金刚石与GaN的直接键合

       1、键合方式及特点

       目前金刚石与GaN的直接键合有多种方式，其中室温表面活化键合（SAB）研究最为广泛。 这种方法通过原子清洁和激活表面进行键合，不同材料在室温下建立高度牢固的化学键。

       优势：能有效避免金刚石与 GaN 之间热失配造成的晶圆变形和 GaN 外延层损伤，且键合用金刚石多晶衬底质量高、热导率高，能充分发挥金刚石的高热导性能。

       2、研究现状及成果

       SAB技术近年来成为国内外研究热点，众多研究机构开展相关研究。日本在该领域代表国际最高水平，如大阪市立大学基于单晶金刚石，采用SAB技术实现了GaN与金刚石的键合。但目前受大尺寸、高表面加工质量金刚石多晶衬底缺乏的限制，SAB键合结果多基于小尺寸金刚石单晶开展。

       去除Si衬底前、后的结合态GaN／金刚石样品的光学显微镜图像  图源：论文

       3、国内外企业现状

       三菱电机：三菱电机与美国国家先进工业科学与技术研究所（AIST）合作，开发出了一种直接键合在高导热性单晶金刚石衬底上的多单元结构氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT）。

       中科院微电子研究所：该研究所的高频高压中心研究员刘新宇团队与日本东京大学盐见淳一郎团队合作，创新地使用表面活化键合法（SAB），以纳米非晶硅为介质，在室温下达成了氮化镓 - 金刚石键合，并且系统揭示了退火中键合结构的界面行为及其影响热导和热应力的机理。

       天津中科晶禾公司：与中科院微电子所的合作中，在厚膜氮化镓（GaN）与多晶金刚石直接键合技术领域取得进展。采用先进的动态等离子体抛光（DPP）技术处理多晶金刚石表面，并结合表面活化键合方法，在室温下实现了厚膜 GaN 与多晶金刚石衬底的直接键合。

       化合积电（厦门）半导体科技有限公司：在金刚石和氮化镓的三种结合方案（将金刚石键合到 GaN 晶片或直接键合到 HEMT 器件、在单晶或多晶金刚石衬底上生长 GaN 外延、在 GaN 的正面或背面上生长纳米晶或多晶金刚石）中均取得成功。

       GaN底部直接生长金刚石

       1、研究历程及关键发现

       该方法由美国的Group 4团队发明。2005年，在美国DARPA支持下，他们获得世界首个基于GaN底部直接生长的10mm×10mm金刚石基GaN外延片，并得出以下结论：

       GaN可长时间暴露在600°C以上高温环境且保持材料质量及电学性能稳定。

       金刚石与GaN的热失配不会造成GaN HEMT器件性能下降。

       金刚石可在GaN/Si结构上实现厚膜沉积。

       2、商业化进展及性能对比

       2013年，Group 4团队实现4英寸金刚石基GaN外延片的量产。为验证散热性能，他们将金刚石基GaN HEMT器件与SiC基GaN HEMT器件对比，结果显示金刚石基GaN HEMT器件在相同输出功率密度下，结温峰值更低，散热性能优势明显。

Group 4团队金刚石基GaN HEMT外延片实物图  图源：论文

       当输出功率密度同为4.2W/mm 时，栅长10μm的金刚石基GaN HEMT器件结温峰值仅比栅长30μm的SiC基GaN HEMT器件高6.3°C；栅长同为30μm时，前者结温峰值比后者降低8.5°C。2012年，韩国 RFHIC公司购买该技术专利，并于2022年实现23W/mm@2GHz的输出功率密度。

       写在最后

       金刚石基GaN技术的出现，为电子器件散热问题提供了极具潜力的解决方案。尽管当前仍面临一些挑战，如键合技术中的衬底尺寸限制、生长技术中的工艺优化等，但随着研究的持续深入和技术的不断创新，这些问题有望逐步攻克。我们有理由相信，金刚石基 GaN 技术将在未来电子器件领域大放异彩，推动雷达、5G 通信、航空航天等行业迈向新的高度。

       以上部分内容整理自DOI: 10.3969/j.issn.1000-985X.2024.06.001