在追求更(geng)高功(gong)率密度和更(geng)優性能的(de)電(dian)子器件(jian)領域，GaN（氮化鎵）器件(jian)因其(qi)卓越的(de)性能而備受矚(zhu)目。然而，隨著功(gong)率密度的(de)不斷(duan)提(ti)升(sheng)，器件(jian)內部的(de)熱(re)積(ji)累問題日益嚴重，成為制約其(qi)發(fa)展的(de)主(zhu)要(yao)瓶(ping)頸(jing)。

       為了應對這一挑戰，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(jue)方案。以(yi)下(xia)將詳細介紹該(gai)技術的三種(zhong)主要途徑及(ji)其優勢(shi)與挑戰(zhan)。

       金剛石襯底鍵(jian)合集成散熱技術(shu)

       源(yuan)于美國 DARPA 于 2012 年(nian)牽引的(de) NJTT 項目，眾多國際研發機(ji)構投身其中。其流程為首(shou)先(xian)研制(zhi) GaN 功率器件(jian)，接著去除 Si 或 SiC 襯底，隨(sui)后將 GaN 器件(jian)薄膜層與金剛石襯底鍵合集成，形成自支撐結構。目前已衍(yan)生出表面活化(hua)鍵合、親水鍵合、原子擴散鍵合等多種技術(shu)。

       1、表面活化鍵合技術

       工藝過程：把 Si、SiN、AlN 等介質(zhi)沉積在金剛(gang)石(shi)表(biao)面，經(jing)Ar離(li)子(zi)活(huo)化(hua)后(hou)，在高真空環境下與GaN器件加壓(ya)鍵(jian)合。例如，2022年(nian)日(ri)本Device Technology Research Institute研(yan)究(jiu)團(tuan)隊在室溫(wen)下實(shi)現該鍵(jian)合，界(jie)面層厚度極小，僅(jin) 1.5nm，金剛(gang)石(shi)/GaN 的界(jie)面熱阻低于 10m2?K/GW。

       技術難點：對(dui)金剛(gang)石(shi)和 GaN 鍵合面(mian)的(de)(de)粗糙度要求極(ji)為苛刻，需小于1nm。在晶圓級鍵合時(shi)，要實現高均勻性(xing)(xing)、低粗糙度的(de)(de)金剛(gang)石(shi)表面(mian)難度極(ji)大(da)，并且在幾納米鍵合介質的(de)(de)過渡層下，確保晶圓級的(de)(de)鍵合均勻性(xing)(xing)和強(qiang)度是關鍵的(de)(de)突破方向。

       2、親水鍵合技術要點

       原理與實踐：由日本團隊(dui)開發，通過化學溶液處理讓金剛石和GaN鍵合面生(sheng)成OH 端，在一定壓力和溫(wen)度(du)下促使(shi)OH端之間反應實現(xian)(xian)集成。2023年首(shou)次報(bao)道基于此實現(xian)(xian)的(de)金剛石與GaN集成，鍵合層厚(hou)度(du)小于5nm。

       現存問題(ti)：OH端反應(ying)會產生大量高溫水分(fen)子，在晶(jing)圓(yuan)級鍵合(he)過程(cheng)中難以快速逸出，對鍵合(he)效果產生極大的負面影響，是該技術急需解(jie)決的難題(ti)。

       優劣勢(shi)：優勢(shi)在(zai)于金剛(gang)石(shi)襯底有多種選擇，且 GaN 器(qi)件流片過程無需涉及金剛(gang)石(shi)工藝(yi)；劣勢(shi)是鍵合(he)界(jie)面(mian)熱(re)阻、鍵合(he)界(jie)面(mian)均(jun)勻性(xing)及鍵合(he)強度(du)的有效控制仍需系統的技術突(tu)破(po)來(lai)達成。

       金剛石襯底生長集成散熱技術

       也(ye)是NJTT項目的重要研究方(fang)向，由(you)Raytheon、Element Six 及 Qorvo 牽頭。先去除GaN外延片(pian)的Si或SiC襯底(di)，運用微波等離(li)子(zi)體技術(shu)在GaN背(bei)面(mian)生長金(jin)剛石襯底(di)，制(zhi)備出(chu)自支(zhi)撐的金(jin)剛石襯底(di)GaN外延片(pian)，再進行GaN功率器件制(zhi)備。

       關鍵技術：

       Element Six 的技術：已成功制備出(chu)金(jin)剛(gang)石襯底 GaN 外延片，并(bing)和 Qorvo 合作制成功率器件，其功率密(mi)度(du)(du)相比傳統 GaN 功率器件提升 3.87 倍。但具體(ti)技術路線尚未(wei)(wei)見諸文獻報道，且國內在(zai)這方面的相關(guan)成果也(ye)暫未(wei)(wei)出(chu)現(xian)。該(gai)技術需(xu)要在(zai)1-2μm的 GaN外延層薄膜上生長高(gao)質量(liang)、低應力、低翹(qiao)曲、大(da)尺寸的金(jin)剛(gang)石熱沉，技術難度(du)(du)頗高(gao)。

       俄羅斯團(tuan)隊(dui)的(de)新(xin)方(fang)案：俄羅斯 National Research Center Kurchatov Institute 研究(jiu)團(tuan)隊(dui)提(ti)出(chu)新(xin)方(fang)案，在（111）晶向的(de)Si薄膜(mo)（厚度 410nm）表(biao)面直(zhi)接(jie)外(wai)延(yan)生(sheng)長金(jin)剛石(shi)襯底(di)(di)，然后在Si薄膜(mo)另(ling)一面生(sheng)長GaN外(wai)延(yan)功(gong)能層，成功(gong)制備出(chu)金(jin)剛石(shi)襯底(di)(di)GaN 功(gong)率(lv)器(qi)件。對比(bi)實驗表(biao)明，相同結(jie)構下(xia)，該器(qi)件結(jie)溫為(wei)(wei)133℃，相比(bi)傳統同結(jie)構SiC 襯底(di)(di)GaN器(qi)件（Qorvo 的(de)產品）的(de)172℃，溫升下(xia)降39℃，熱阻下(xia)降44.8%，在源漏(lou)電(dian)壓(ya)為(wei)(wei)15V 時，功(gong)率(lv)提(ti)升37%，為(wei)(wei)該技(ji)術提(ti)供了新(xin)的(de)可行途徑。

       金剛石鈍化生長集成散熱技術

       最(zui)早由美國(guo)Naval Research Laboratory提出(chu)并開展研究(jiu)，2021年美國(guo)DARPA持續推動該技術方向的發展，目前(qian)國(guo)內外均已取得一定研究(jiu)成果。

       代表性研究：

       1、南京電子器件研究所：

       成果：率(lv)先報(bao)道了柵長小于 0.4 μm 的金剛石鈍化 GaN 功(gong)率(lv)器件。

       工(gong)藝：采用柵(zha)前(qian)金(jin)剛石(shi)生長鈍(dun)化(hua)途徑(jing)，引入多步金(jin)剛石(shi)微納刻(ke)蝕控制與 SiN 隔(ge)離層創新工(gong)藝。

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

       性能：研制出金剛石厚度(du)為 500 nm 的鈍(dun)化(hua)散熱(re)結(jie)構的 GaN 功率器(qi)件，熱(re)阻下降 21.4%，小(xiao)信號增益(yi)提升 36.7%。

       2、斯坦福大學：

       成果：采用 600 nm 的金剛石(shi)鈍化層，制備出單柵指的金剛石(shi)鈍化 GaN 功率器(qi)件。

       性能：器件(jian)結(jie)溫相比(bi)無(wu)金剛石鈍(dun)化結(jie)構的(de) GaN 器件(jian)下(xia)降 100~150 ℃。

       金(jin)剛石(shi)鈍化 GaN 器件(jian)結構與散(san)熱(re)能力: (a) 金(jin)剛石(shi)鈍化結構 ; (b) 散(san)熱(re)能力  圖源：論文(wen)

       3. 優勢與挑戰

       優勢：工(gong)藝(yi)兼容(rong)性(xing)強，散熱能(neng)力經濟(ji)性(xing)價比(bi)高。

       挑戰：金(jin)剛石低溫鈍(dun)化質量控(kong)制及其與 GaN 器(qi)件工藝兼容性(xing)需要進一步技術突(tu)破。

       總結

       GaN 器件金(jin)剛石近結散熱技(ji)術為解(jie)決高功率密度器件的(de)熱積累問題(ti)提供了創新性(xing)的(de)解(jie)決方案。三種主要技(ji)術途徑各有特點：

       金剛石(shi)襯底(di)鍵合集成(cheng)：靈活性高(gao)，但工藝控(kong)制要求嚴(yan)格。

       金剛石襯底(di)生(sheng)長集成：散熱性能優(you)異，但技術難度大。

       金剛石鈍化生(sheng)長集成：工藝兼容性好，但鈍化層質量控制是關(guan)鍵。

       隨(sui)著(zhu)技術(shu)的(de)不斷進步(bu)，金(jin)剛石近結散(san)熱(re)(re)技術(shu)有望(wang)成為未來高功(gong)率(lv)密度電(dian)子(zi)器(qi)件熱(re)(re)管理的(de)重要發展方(fang)向，為推動電(dian)子(zi)器(qi)件性能的(de)提升提供強有力(li)的(de)支(zhi)持。