金刚石 GaN 器件破解高温漂移难题，助力高温高功率应用升级

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）因其高击穿电场、高电子迁移率，在雷达、卫星通信和高功率射频领域已成为主流技术。然而，随着器件功率密度持续提升，自热效应和高温运行带来的参数漂移问题日益突出。

在众多温度敏感参数中，阈值电压（Vth）的温度漂移尤为关键。阈值电压随温度变化，会直接影响器件的工作点稳定性、偏置设计以及系统级可靠性。已有研究表明，常规 GaN HEMT 的阈值电压温度系数（dVth/dT）通常为负值，且幅度在 mV/K 量级，在高温应用中并不理想。

近日，电子科技大学与南京电子器件研究所等系统研究了 GaN-on-diamond HEMT 的阈值电压温度稳定性问题。研究发现，该结构器件可实现 低至 −0.2 mV/K 的阈值电压温度系数，显著优于传统 GaN HEMT，为高温、高功率应用提供了新的技术思路。相关研究成果以“Low Threshold Voltage Temperature Coefficient Due to Thermal Stress in GaN-on-Diamond HEMTs”为题，发表在IEEE Electron Device Letters上。

研究团队采用器件优先的低温转移工艺，将传统GaN-on-SiC外延片转移至高导热金刚石衬底上，键合温度仅180℃，界面AlN粘结层厚度10 nm，实现了高质量GaN/金刚石界面。金刚石导热系数高达1200 W/m·K，远高于SiC，能有效散热，但其热膨胀系数（CTE）远低于GaN（α_diamond ≈ 1×10⁻⁶/K，α_GaN ≈ 5.6×10⁻⁶/K）。

在室温至398 K（125℃）范围内测试发现，器件阈值电压几乎不随温度变化，温度系数仅-0.2 mV/K。这一异常稳定的根本原因在于：随着温度升高，金刚石衬底限制GaN层热膨胀，导致GaN通道层产生额外的拉伸热应力（从室温残余应力0.60 GPa增至398 K时的1.07 GPa，热应力贡献0.47 GPa）。

团队通过532 nm拉曼光谱精确测量了GaN E₂高频模的红移，定量计算出温度诱导的拉伸应力。该热应力进一步改变AlGaN和AlN层的压电极化电荷密度，产生正向阈值电压漂移（+0.18 V），有效抵消了传统机制（如肖特基势垒高度降低和导带不连续性变化）引起的负向漂移（约-0.30 V），最终实现近零温度系数。

基于此，研究团队提出了一种包含热应力效应的阈值电压解析模型，将热应力诱导的压电极化项纳入总极化电荷计算，并结合QPZD大信号模型进行验证。模拟结果与多温度下DC I-V和转移特性高度吻合，均方根误差小于10%，证明模型准确性。

与近年报道的宽禁带器件相比，该GaN-on-Diamond HEMT的-0.2 mV/K温度系数处于领先水平：GaN Fin-HEMT为-1.1～-1.5 mV/K，4H-SiC FinFET为-7.3 mV/K，p型GaN MOSFET为+1.5 mV/K。该工作无需复杂Fin结构或特殊栅极工艺，仅通过衬底材料热失配即可实现阈值电压热稳定，为高温、高可靠性GaN器件设计提供了全新思路。

这项研究表明，GaN-on-Diamond技术不仅能大幅降低热阻，还可利用热应力实现阈值电压的自补偿，为未来航空航天、电动汽车和5G/6G射频前端等极端环境应用提供了极具潜力的解决方案。未来通过优化界面材料和热失配系数，有望进一步接近零温度系数甚至正温度系数，显著提升GaN功率器件的温度鲁棒性。

图文导读

图1. 热应力下阈值电压变化示意图。

图2. 不同温度下直流特性的表征：(a) 直流I-V特性曲线。(b) 和 (d) 转移特性曲线。(d) 阈值电压。

图3. 不同温度下应力的表征：(a) 测得的拉曼光谱（实线）。(b) 计算的应力（实线与圆点）

来源：DT半导体

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