下一代功率器件的GaN-on-diamond技术
本帖最后由 hdy 于 2025-5-9 22:38 编辑随着消费电子行业的迅猛发展，电子设备对高功率和高效散热的需求日益迫切。GaN材料虽具备诸多优异特性，理论上能实现超高功率密度，但实际应用中，其产生的大量热量难以有效散发，导致结温升高，严重限制了器件性能。当器件功率密度达到6 W/mm时，沟道温度可超200 ℃，极大缩短了器件寿命。而传统的硅（Si）、碳化硅（SiC）等衬底材料，因热导率有限，无法满足GaN器件的散热需求。在此背景下，具有超高热导率（2 200 W/m/K）的金刚石脱颖而出。将金刚石作为GaN器件的衬底，能显著提升散热效率，有效降低结温，增强器件的可靠性和稳定性，GaN-on-diamond技术应运而生。
本文指出，在GaN-on-diamond结构中，金刚石的超高热导率使热量能迅速从器件有源区传导至封装散热片，有效避免局部过热。如图1所示，与传统SiC衬底相比，在相同功率密度梯度下，基于金刚石衬底的HEMTs温度上升更低，能在更高功率密度下稳定运行。理论计算表明，GaN-on-diamond界面的热边界电阻（TBR）可低至3 m²K/GW，远低于SiC衬底。这使得电子-声子耦合在该技术中发挥关键作用，促进能量高效传递，进一步降低界面热阻，提升散热效率，显著缓解自热效应。图1 不同衬底的GaN功率器件在热性能方面的基准测试：硅基GaN、碳化硅基GaN和金刚石基GaN热边界电阻是影响GaN-on-diamond技术散热性能的关键因素。论文深入探讨了其相关影响因素，并提出多种降低热阻的创新方法。通过表面活化键合（SAB）等技术，可优化界面结构，减少缺陷，降低热阻。研究发现，采用SAB方法在室温下键合GaN和金刚石，能有效减少界面非晶碳层的形成，降低热阻。同时，引入合适的介电层也能降低热边界电阻。如选用SiN作为介电层，可在界面形成Si-C-N层，显著降低热阻，提高热导率。此外，图案化生长、纳米晶金刚石（NCD）覆盖膜以及金刚石钝化层等新技术的探索，为进一步提升热管理能力提供了新途径。目前，GaN-on-diamond技术主要有键合和外延生长两种制备方法。使用键合技术制备的GaN-on-diamond如图2所示，键合技术通过分子间相互作用，有效缓解位错传播，但面临键合温度、界面层厚度和成分控制等挑战。在GaN背面生长金刚石的外延生长技术如图3所示，能获得连续的晶体结构，降低界面热阻，但存在高质量金刚石衬底制备困难、生长过程易引入缺陷等问题。尽管面临挑战，但研究人员不断取得进展。如通过改进SAB方法，采用混合SiOₓ-Ar离子源进行表面处理，使界面热阻降至8.3 m²K/GW。在外延生长方面，优化生长工艺和条件，能有效减少缺陷，提升器件性能。图2 使用键合技术制备的GaN-on-diamond图3在GaN背面生长金刚石的外延生长技术GaN-on-diamond技术在射频（RF）器件、功率器件和微波器件等领域展现出巨大的应用潜力。在DARPA NJTT项目中，基于金刚石衬底的GaN晶体管实现了11 W/mm的线性功率，热通量超40 kW/cm²，功率处理能力提升超三倍。未来，随着研究的不断深入，GaN-on-diamond技术有望在更多领域得到应用，推动GaN器件向更高性能、更高可靠性方向发展，为6G通信、高效电力传输等新兴技术提供坚实的硬件支持。 图4 终极半导体金刚石可以帮助生产面向未来市场的GaN器件，促进GaN器件的广泛应用
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