在追求更高功率密度和更優(yōu)性能的電子器件領域，GaN（氮化鎵）器件因其卓越的性能而備受矚目。然而，隨著功率密度的不斷提升，器件內部的熱積累問題日益嚴重，成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。

為了應對這一挑戰(zhàn)，金剛石近結散熱技術應運而生，成為提升 GaN 器件散熱能力的有效解決方案。以下將詳細介紹該技術的三種主要途徑及其優(yōu)勢與挑戰(zhàn)。

金剛石襯底鍵合集成散熱技術

源于美國 DARPA 于 2012 年牽引的 NJTT 項目，眾多國際研發(fā)機構投身其中。其流程為首先研制 GaN 功率器件，接著去除 Si 或 SiC 襯底，隨后將 GaN 器件薄膜層與金剛石襯底鍵合集成，形成自支撐結構。目前已衍生出表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴散鍵合等多種技術。

1、表面活化鍵合技術

工藝過程：把 Si、SiN、AlN 等介質沉積在金剛石表面，經(jīng)Ar離子活化后，在高真空環(huán)境下與GaN器件加壓鍵合。例如，2022年日本Device Technology Research Institute研究團隊在室溫下實現(xiàn)該鍵合，界面層厚度極小，僅 1.5nm，金剛石/GaN 的界面熱阻低于 10m2?K/GW。

GaN/金剛石集成表面活化鍵合技術 圖源：論文

技術難點：對金剛石和 GaN 鍵合面的粗糙度要求極為苛刻，需小于1nm。在晶圓級鍵合時，要實現(xiàn)高均勻性、低粗糙度的金剛石表面難度極大，并且在幾納米鍵合介質的過渡層下，確保晶圓級的鍵合均勻性和強度是關鍵的突破方向。

2、親水鍵合技術要點

原理與實踐：由日本團隊開發(fā)，通過化學溶液處理讓金剛石和GaN鍵合面生成OH 端，在一定壓力和溫度下促使OH端之間反應實現(xiàn)集成。2023年首次報道基于此實現(xiàn)的金剛石與GaN集成，鍵合層厚度小于5nm。

GaN/金剛石集成親水鍵合技術圖源：論文

現(xiàn)存問題：OH端反應會產生大量高溫水分子，在晶圓級鍵合過程中難以快速逸出，對鍵合效果產生極大的負面影響，是該技術急需解決的難題。

優(yōu)劣勢：優(yōu)勢在于金剛石襯底有多種選擇，且 GaN 器件流片過程無需涉及金剛石工藝；劣勢是鍵合界面熱阻、鍵合界面均勻性及鍵合強度的有效控制仍需系統(tǒng)的技術突破來達成。

金剛石襯底生長集成散熱技術

也是NJTT項目的重要研究方向，由Raytheon、Element Six 及 Qorvo 牽頭。先去除GaN外延片的Si或SiC襯底，運用微波等離子體技術在GaN背面生長金剛石襯底，制備出自支撐的金剛石襯底GaN外延片，再進行GaN功率器件制備。

關鍵技術：

Element Six 的技術：已成功制備出金剛石襯底 GaN 外延片，并和 Qorvo 合作制成功率器件，其功率密度相比傳統(tǒng) GaN 功率器件提升 3.87 倍。但具體技術路線尚未見諸文獻報道，且國內在這方面的相關成果也暫未出現(xiàn)。該技術需要在1-2μm的 GaN外延層薄膜上生長高質量、低應力、低翹曲、大尺寸的金剛石熱沉，技術難度頗高。

金剛石襯底 GaN 外延晶圓制備技術 圖源：論文

俄羅斯團隊的新方案：俄羅斯 National Research Center Kurchatov Institute 研究團隊提出新方案，在（111）晶向的Si薄膜（厚度 410nm）表面直接外延生長金剛石襯底，然后在Si薄膜另一面生長GaN外延功能層，成功制備出金剛石襯底GaN 功率器件。對比實驗表明，相同結構下，該器件結溫為133℃，相比傳統(tǒng)同結構SiC 襯底GaN器件（Qorvo 的產品）的172℃，溫升下降39℃，熱阻下降44.8%，在源漏電壓為15V 時，功率提升37%，為該技術提供了新的可行途徑。

金剛石襯底 GaN 器件分析：(a) SiC 襯底 GaN 器件散熱能力; (b) 金剛石襯底 GaN 器件散熱能力; (c) 金剛石襯底 GaN 器件輸出特性; (d) 金剛石襯底 GaN 器件主要工藝步驟

金剛石鈍化生長集成散熱技術

最早由美國Naval Research Laboratory提出并開展研究，2021年美國DARPA持續(xù)推動該技術方向的發(fā)展，目前國內外均已取得一定研究成果。

代表性研究：

1、南京電子器件研究所：

成果：率先報道了柵長小于 0.4 μm 的金剛石鈍化 GaN 功率器件。

工藝：采用柵前金剛石生長鈍化途徑，引入多步金剛石微納刻蝕控制與 SiN 隔離層創(chuàng)新工藝。

柵 長0.3μm金 剛 石 鈍 化GaN器 件 及 輸 出 特 性：(a) 柵長; (b) 輸出特性 圖源：論文

性能：研制出金剛石厚度為 500 nm 的鈍化散熱結構的 GaN 功率器件，熱阻下降 21.4%，小信號增益提升 36.7%。

2、斯坦福大學：

成果：采用 600 nm 的金剛石鈍化層，制備出單柵指的金剛石鈍化 GaN 功率器件。

性能：器件結溫相比無金剛石鈍化結構的 GaN 器件下降 100~150 ℃。

金剛石鈍化 GaN 器件結構與散熱能力: (a) 金剛石鈍化結構 ; (b) 散熱能力圖源：論文

3. 優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

優(yōu)勢：工藝兼容性強，散熱能力經(jīng)濟性價比高。

挑戰(zhàn)：金剛石低溫鈍化質量控制及其與 GaN 器件工藝兼容性需要進一步技術突破。

總結

GaN 器件金剛石近結散熱技術為解決高功率密度器件的熱積累問題提供了創(chuàng)新性的解決方案。三種主要技術途徑各有特點：

金剛石襯底鍵合集成：靈活性高，但工藝控制要求嚴格。

金剛石襯底生長集成：散熱性能優(yōu)異，但技術難度大。

金剛石鈍化生長集成：工藝兼容性好，但鈍化層質量控制是關鍵。

隨著技術的不斷進步，金剛石近結散熱技術有望成為未來高功率密度電子器件熱管理的重要發(fā)展方向，為推動電子器件性能的提升提供強有力的支持。