近十年来，氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业，这种材料属于宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、易于形成异质结构等优异性能，非常适于研制高频、大功率微波、毫米波器件和电路，在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值，是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。

与其他类型芯片类似，在尺寸小型化和功率增大化的条件下，尤其是在高偏置电压工作状态下，GaN基功率器件随着功率密度的增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，导致其各项性能指标迅速恶化，使其大功率优势未能充分发挥。因此，散热问题成为制约 GaN 基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。

其中，GaN功率器件常用衬底材料（蓝宝石、硅、碳化硅）的热导率较低，仅依靠传统的衬底材料通过被动冷却技术，难以满足高功率条件下的散热需求，严重限制GaN基功率器件潜力的释放。采用高热导率金刚石作为高频、大功率GaN基器件的衬底或热沉，可以降低GaN基大功率器件的自加热效应，并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题，因此成为近几年的一个国际研究热点。

各种衬底材料及GaN的常见性能

然而，GaN与金刚石存在较大晶格失配和热失配等问题，如何将金刚石作为 GaN基功率器件的热沉或衬底，目前有多种技术，其中主要有多晶金刚石衬底 GaN散热技术、单晶金刚石衬底散热技术、高导热金刚石钝化层散热技术等。

GaN基器件金刚石衬底的制备技术

一、多晶金刚石衬底GaN散热技术

目前采用多晶金刚石制备GaN基器件衬底的技术主要分两种方式：基于低温键合技术和基于GaN外延层生长金刚石技术。

（1）低温键合技术

最先开展GaN/金刚石低温键合方法的是BAE Systems（英国航空航天公司），其技术路线是，首先在SiC基GaN外延层制备HEMT器件（即高电子迁移率晶体管），然后将GaN基HEMT晶片键合在临时载体晶片（Temp Carrier）上，去除SiC衬底和部分GaN的形核层和过渡层，并将其表面和金刚石衬底加工到纳米级粗糙度；随后在GaN和金刚石衬底分别沉积键合介质（键合介质可能为SiN、BN、AlN等），在低于150℃的温度键合，最后去除临时载体晶片，最终获得金刚石衬底GaN HEMT器件。

目前采用该技术路线将金刚石衬底GaN晶片推广到3~4英寸。

金刚石衬底

低温键合技术具有使用高质量、高导热率的金刚石衬底及键合过程不存在高

温和氢等离子体环境的优势，同时也获得了良好的电学特性和散热效果。然而该技术路线的难点在于大尺寸金刚石衬底的高精度加工，尤其是对平行度、变形量及表面粗糙度的极高要求；去除原始衬底后GaN外延层表面的高精度加工等，实现键合层的低热阻和高质量键合强度也是实现器件制备的关键。

（2）基于GaN外延层背面直接生长金刚石

基于GaN外延层背面直接生长金刚石的方法与低温键合技术不同之处是，去除衬底及部分GaN缓冲层后，在外延层背面首先沉积一层介电层用于保护GaN外延层，而后再沉积金刚石衬底（厚度~100μm）。

金刚石衬底GaN基器件的制备流程

需要注意的是，虽然直接沉积法在散热能力方面体现出极为突出的优势，但是研究结果表明，该技术由于涉及到高温沉积，对热失配控制是重大挑战；GaN外延层临时转移后沉积金刚石膜过程中也存在损伤风险；金刚石形核层较低的热导率不利于其热传输。

然而相较于键合技术获得的金刚石基GaN，该技术可以使界面热阻降到更低，这也说明该技术在制备金刚石基GaN方面也具有极大潜力。

二、单晶金刚石衬底外延GaN

随着单晶金刚石制备技术不断发展和完善，单晶金刚石衬底直接外延GaN 晶片也被用于改善散热需求。

有研究者在单晶金刚石衬底上采用分子束外延技术(MBE)外延沉积得到GaN外延层，随后在此基础上又沉积出AlGaN/GaN异质结材料，基于此制备出GaN基HEMTs。

AlNGaN/GaN HEMTs在金刚石和SiC衬底上的温升对比

但这种方法采用单晶金刚石衬底外延GaN实现了AlNGaN/GaN HEMTs的异质外延和器件制备，但是难度依然极大，GaN和金刚石的晶格常数和热膨胀系数差异巨大，也给制备带来巨大困难，此外单晶尺寸和成本进一步限制其应用。

三、高导热金刚石钝化层散热技术

这种方法一般是在晶体管器件表面生长一层纳米金刚石薄膜，从散热效果来看纳米金刚石包覆可以显著提高器件的性能，其横向热导率与初始几微米厚密切相关，最重要的是金刚石层与热源接近，使得这种方法比其他的热控方法更有利，特别是脉冲器件。

不同钝化层的GaN基HEMT散热能力对比

尽管采用该技术具有巨大潜力，但是在制作HEMTs的过程中，沉积纳米金刚石薄膜往往受到器件工艺条件的限制，沉积温度一般较低，纳米金刚石膜的热导率并不高，这些都限制了该技术的应用和推广。

总结

与传统衬底GaN基功率器件相比，金刚石衬底 GaN 器件具有更高的散热能力，下一代金刚石基GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统，为5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。

然而金刚石衬底与GaN外延层的结合技术并未成熟，还存在许多难题亟需解决，距离产业化尚有距离。未来金刚石衬底与GaN外延层结合技术的研究将趋于以下几个方面：

（1）针对低温键合技术主要以降低金刚石加工成本，实现键合层的低热阻和高质量键合强度为目标；

（2）针对GaN外延层背面沉积技术，以实现GaN外延层的高效率转移，提高金刚石形核层热导率，提高GaN外延层转移后电学特性，实现GaN外延层沉积金刚石衬底的大面积为研究方向；

（3）其他技术手段主要存在单晶金刚石衬底尺寸小、纳米金刚石钝化层沉积工艺与器件加工的兼容性等问题，这都将极大限制这些技术手段的发展和应用。   

解决上述问题，将为 GaN 功率器件实现高频、高功率应用，提供广阔前景，并带来更大效益。

参考来源：

1. 金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展，贾鑫、魏俊俊、黄亚博、邵思武、孔月婵、刘金龙、陈良贤、李成明、叶海涛 （北京科技大学、南京电子器件研究所）；

2. 金刚石基氮化镓(GaN)技术的未来展望。

粉体圈 小吉

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