近日，深圳大学刘新科团队以“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”为题在MaM上发表综述文章，详细阐述了氮化镓-金刚石（GaN-on-diamond）技术在下一代功率器件中的应用，系统介绍了该技术的研究现状、关键技术以及应用前景。第一作者为范康凯，通讯作者为刘新科。MaM是全球首本专注集成电路超越摩尔（泛摩尔技术）领域的英⽂期刊，已入选“中国科技期刊卓越行动计划”高起点新刊。

01.高频高功率时代的散热难题

随着消费电子行业的飞速发展，电子设备进入了高频、高功率的应用新时代。在这种背景下，氮化镓（GaN）基功率器件因具有高击穿场强、高电子迁移率和高电子饱和速率等优异特性，成为了下一代电子功率器件的热门选择。然而，高功率密度运行时，GaN 器件内部产生的热量难以有效散发，导致自热效应（SHE）显著，这会降低器件的性能和可靠性。

传统的散热管理方案，如使用硅（Si）或碳化硅（SiC）基板，因热导率有限，在实际应用中难以满足高功率器件的散热需求，使得商业 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）在正常工作条件下只能实现 3-8 W/mm 的输出功率密度，远低于理论值。因此，半导体行业急需一种创新的散热解决方案。

02.GaN-on-diamond技术：革命性散热方案

2.1 GaN-on-diamond技术概述

GaN-on-diamond 技术应运而生，它将 GaN 器件与具有超高热导率（2200 W/m/K）和优异机械稳定性的金刚石基板相结合，显著提升了芯片级的散热能力，为解决 GaN 器件的散热瓶颈提供了希望。

目前，GaN 和金刚石的集成主要通过两种方法实现：键合和外延生长技术。键合技术涉及将基于 SiC 的 GaN 器件基板剥离，并在表面活化处理后直接与金刚石基板键合，以实现理论最大热导率并最小化界面热阻。外延生长技术则是在金刚石基板上直接生长 GaN 外延层。

研究表明，根据漫反射失配模型（DMM），GaN-on-diamond 界面的界面热阻（TBR）可低至 3 m2K/GW，远低于 SiC 基板。此外，还探索了图案化生长技术、纳米晶金刚石（NCD）封层和金刚石钝化层等新技术，以进一步增强散热能力。

2.2 探索GaN-on-diamond技术的潜力

GaN-on-diamond 技术作为一种新兴的高功率半导体器件散热方案，正处于快速发展阶段。科研人员通过深入研究，发现 GaN-on-diamond 技术在提升器件散热性能方面展现出巨大的潜力。其界面热阻低至 3 m2K/GW 的特性，意味着在相同的功率密度下，GaN-on-diamond 器件能够更有效地将热量从芯片内部传导到外部，从而降低芯片的工作温度。

优异的散热性能为器件性能的提升带来了显著的积极影响。实验数据显示，与传统的 SiC 基板相比，GaN-on-diamond 器件在同等温度条件下能够实现更高的功率密度，这在功率器件领域具有重要的意义。功率密度的提升意味着在同一封装尺寸下，器件能够输出更高的功率，从而满足现代电子设备对高功率输出的需求。

同时，GaN-on-diamond 技术的出现也推动了新型技术的发展，例如图案化生长技术、纳米晶金刚石（NCD）封层和金刚石钝化层等。这些技术的探索与应用，为进一步优化 GaN 器件的散热能力提供了更多可能性，为提升器件性能和可靠性开拓了新的路径。

03.自热效应：GaN器件性能的隐形杀手

3.1 自热效应的产生与影响

GaN HEMT 器件的出现使得高功率、高频率的应用成为可能。然而，在高源 - 漏偏压下运行时，通道区域内部因载流子的快速运动而产生内部热量，导致结温升高。这种热量积累主要集中在通道区域，尤其是在漏侧靠近栅极的区域。由于 GaN 器件的芯片面积有限，散热通常集中在小于 1 μm2 的区域内，使得热量难以快速散发。

当电流流经器件时，电子与晶格中的声子发生碰撞，将电能转化为热能，导致局部温度升高并形成热点。随着功率密度的增加，局部温度升高加剧，形成自热效应的恶性循环，降低器件的寿命。在高温、高功率和高频率工作条件下，GaN 器件面临重大挑战，主要障碍包括高偏压电压导致的过度功率消耗和温度升高。

传统基板的低热导率和受限的散热路径阻碍了热量的有效散发，加剧了声子散射。温度升高导致势阱内载流子迁移率降低，从而引起器件静态 I-V 特性退化。早期研究表明，自热效应对器件的性能和可靠性有显著的负面影响。即使工作温度略有升高，也会导致器件寿命呈指数级下降。

3.2 对自热效应的应对措施

为了应对自热效应，研究人员在 GaN 器件领域进行了深入探索，寻求有效的散热解决方案。传统的散热方法主要依赖于通过器件的内部 GaN 外延层和基板层将热量传导至封装级别的散热器。然而，由于 Si、SiC、GaN 等常规基板材料的热导率相对较低，器件内部产生的热量难以有效传导至封装外部，导致芯片内部结温升高。

解决这一问题的关键在于寻找具有更高热导率的基板材料。金刚石因其高达 2000 W/m/K 的热导率而成为理想的候选材料。在 GaN-on-diamond 结构中，金刚石的高热导率能够快速将器件活动区的热量传导至封装中的散热器，有效防止局部过热。这种优异的散热能力使得 GaN-on-diamond 结构能够在更高功率密度下运行，同时保持器件的可靠性和稳定性。

04.界面热阻：散热性能的关键因素

4.1 界面热阻的定义与影响因素

界面热阻（TBR）是影响电子器件性能和稳定性的关键物理现象之一。它是指在电子器件产生的热量通过材料进行传递和扩散过程中，由于材料的热导率和器件结构等因素的影响，热量在界面处受到的阻碍。界面热阻主要归因于界面处原子振动的不匹配，表现为界面处的温度跳跃现象。

在 GaN-on-diamond 结构中，界面热阻受到多种因素的影响，包括界面处的缺陷、界面完整性、粗糙度、晶格匹配差异以及界面处的无序程度。界面处的缺陷主要由晶格失配和晶体取向不一致引起，如位错、空洞和晶界等。这些缺陷会导致声子散射，增加界面热阻，从而降低热导率。

4.2 探索降低界面热阻的方法

降低界面热阻是提升 GaN-on-diamond 散热性能的关键。研究表明，通过优化键合过程和外延生长技术，可以有效降低界面热阻。例如，在键合技术中，采用表面活化键合（SAB）技术可以在室温下实现 GaN 和金刚石的键合，减少界面处的非晶碳层厚度，从而降低界面热阻。

此外，选择合适的介质层对降低界面热阻也至关重要。SiNx 作为介质层在 GaN/金刚石界面表现出优异的热传导性能，其界面热阻可低至 9.5 m2K/GW。相比之下，使用 AlN 或无介质层的样品界面热阻则超过 20 m2K/GW。这表明介质层的选择对 GaN/金刚石界面的热传导性能有显著影响。

05.GaN-on-diamond热管理技术：现状与挑战

5.1 现有的热管理技术

目前，主要有四种基于金刚石的散热技术：多晶金刚石散热技术、单晶金刚石散热技术、嵌入式金刚石散热柱技术和金刚石钝化层技术。这些技术在提升器件散热性能方面各具优势。

多晶金刚石散热技术利用多晶金刚石的高热导率来提高器件的散热能力；单晶金刚石散热技术则利用单晶金刚石的优异热导率和机械性能，为器件提供更高效的散热路径；嵌入式金刚石散热柱技术通过在器件内部嵌入金刚石散热柱，增强局部散热能力；而金刚石钝化层技术则是在器件表面沉积一层金刚石薄膜，起到保护和散热的双重作用。

5.2 面临的技术挑战

尽管 GaN-on-diamond 技术展现出巨大的潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先是金刚石的加工和制备难度较大，由于金刚石的高硬度和化学稳定性，其加工和制备需要特殊的工艺和设备。其次是 GaN 和金刚石之间的热膨胀系数和晶格结构差异较大，容易在界面处形成缺陷，影响器件的性能和可靠性。此外，如何实现高质量的 GaN 外延层剥离技术以及如何在 GaN 外延层上外延生长或异质键合出高质量的 100 μm 金刚石基板，也是当前亟待解决的技术难题。

06.界面热阻与电子-声子耦合理论

6.1 界面热阻与电子-声子耦合

界面热阻与电子 - 声子耦合理论密切相关。电子 - 声子耦合是指电子与晶格振动之间的相互作用，这种相互作用在金属中普遍存在。在 GaN-on-diamond 体系中，界面处的电子 - 声子耦合对热传输有重要影响。

在界面处，电子 - 声子耦合可以通过以下几种方式影响热传输：一是促进能量交换，电子与晶格之间的相互作用使得能量能够从电子传递到晶格，从而影响界面处的热传输；二是增加界面热阻，电子与晶格的相互作用会导致晶格振动和畸变，从而增加界面热阻，阻碍热量跨界面传输。

6.2 探索不同计算与测试方法

为准确计算和测量界面热阻，多种方法被提出和应用。计算方法包括漫反射失配模型（DMM）、声学失配模型（AMM）、声子波包方法和原子格林函数方法等。DMM 和 AMM 是广泛使用的两种模型，它们从不同角度处理声子传输系数的问题。实验测量方法则包括时域热反射法（TDTR）、红外热成像法、3ω 法、激光闪光法和紫外激光瞬态热反射法等。

这些计算和测试方法为研究 GaN-on-diamond 界面热阻提供了有力工具，有助于深入了解界面热阻的形成机制，为优化器件结构和提高散热性能提供理论支持。

07.GaN-on-diamond技术：从实验室到实际应用

7.1 GaN-on-diamond技术的未来前景

GaN-on-diamond 技术在射频器件、功率器件和微波器件等领域具有广阔的应用前景。随着技术的不断进步，GaN-on-diamond 有望推动 GaN 器件的性能、可靠性和工作寿命实现质的飞跃。在未来，GaN-on-diamond 技术还有望拓展到超宽禁带半导体器件领域，为下一代半导体技术的发展提供有力支持。

7.2 面临的挑战与展望

尽管 GaN-on-diamond 技术在理论上和实验中都展现出巨大的潜力，但要实现其大规模商业化应用，仍需克服一系列技术和工程挑战。例如，在键合技术方面，需要进一步优化键合工艺，提高键合强度，降低界面热阻；在外延生长技术方面，需要解决 GaN 和金刚石之间的晶格失配和热膨胀系数差异问题，提高外延层的质量。

未来的研究将集中在以下几个方面：一是进一步降低界面热阻，通过优化界面处理工艺和选择合适的介质层，提高热传输效率；二是开发更高效的散热结构和封装技术，充分发挥 GaN-on-diamond 的高热导率优势；三是探索新的材料组合和器件结构，拓展 GaN-on-diamond 技术的应用范围。

总之，GaN-on-diamond 技术作为一种极具前景的散热解决方案，正吸引着越来越多的研究者和企业的关注。随着技术的不断成熟和完善，GaN-on-diamond 有望成为推动半导体行业发展的新引擎，为实现更高性能、更可靠、更高效的电子器件提供关键支撑。

参考文献：《GaN-on-diamond technology for next-generation power devices》

来源：半导体在线

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。