近日，深圳大學(xué)劉新科團(tuán)隊(duì)以“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”為題在MaM上發(fā)表綜述文章，詳細(xì)闡述了氮化鎵-金剛石（GaN-on-diamond）技術(shù)在下一代功率器件中的應(yīng)用，系統(tǒng)介紹了該技術(shù)的研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及應(yīng)用前景。第一作者為范康凱，通訊作者為劉新科。MaM是全球首本專(zhuān)注集成電路超越摩爾（泛摩爾技術(shù)）領(lǐng)域的英?期刊，已入選“中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃”高起點(diǎn)新刊。
隨著消費(fèi)電子行業(yè)的迅猛發(fā)展，電子設(shè)備對(duì)高功率和高效散熱的需求日益迫切。GaN材料雖具備諸多優(yōu)異特性，理論上能實(shí)現(xiàn)超高功率密度，但實(shí)際應(yīng)用中，其產(chǎn)生的大量熱量難以有效散發(fā)，導(dǎo)致結(jié)溫升高，嚴(yán)重限制了器件性能。當(dāng)器件功率密度達(dá)到6 W/mm時(shí)，溝道溫度可超200 ℃，極大縮短了器件壽命。而傳統(tǒng)的硅（Si）、碳化硅（SiC）等襯底材料，因熱導(dǎo)率有限，無(wú)法滿足GaN器件的散熱需求。在此背景下，具有超高熱導(dǎo)率（2 200 W/m/K）的金剛石脫穎而出。將金剛石作為GaN器件的襯底，能顯著提升散熱效率，有效降低結(jié)溫，增強(qiáng)器件的可靠性和穩(wěn)定性，GaN-on-diamond技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
本文指出，在GaN-on-diamond結(jié)構(gòu)中，金剛石的超高熱導(dǎo)率使熱量能迅速?gòu)钠骷性磪^(qū)傳導(dǎo)至封裝散熱片，有效避免局部過(guò)熱。如圖1所示，與傳統(tǒng)SiC襯底相比，在相同功率密度梯度下，基于金剛石襯底的HEMTs溫度上升更低，能在更高功率密度下穩(wěn)定運(yùn)行。理論計(jì)算表明，GaN-on-diamond界面的熱邊界電阻（TBR）可低至3 m²K/GW，遠(yuǎn)低于SiC襯底。這使得電子-聲子耦合在該技術(shù)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，促進(jìn)能量高效傳遞，進(jìn)一步降低界面熱阻，提升散熱效率，顯著緩解自熱效應(yīng)。
圖1 不同襯底的GaN功率器件在熱性能方面的基準(zhǔn)測(cè)試：硅基GaN[38]、碳化硅基GaN[10,38,40,41]和金剛石基GaN[39,42,43]
熱邊界電阻是影響GaN-on-diamond技術(shù)散熱性能的關(guān)鍵因素。論文深入探討了其相關(guān)影響因素，并提出多種降低熱阻的創(chuàng)新方法。通過(guò)表面活化鍵合（SAB）等技術(shù)，可優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)，減少缺陷，降低熱阻。研究發(fā)現(xiàn)，采用SAB方法在室溫下鍵合GaN和金剛石，能有效減少界面非晶碳層的形成，降低熱阻。同時(shí)，引入合適的介電層也能降低熱邊界電阻。如選用SiN作為介電層，可在界面形成Si-C-N層，顯著降低熱阻，提高熱導(dǎo)率。此外，圖案化生長(zhǎng)、納米晶金剛石（NCD）覆蓋膜以及金剛石鈍化層等新技術(shù)的探索，為進(jìn)一步提升熱管理能力提供了新途徑。
目前，GaN-on-diamond技術(shù)主要有鍵合和外延生長(zhǎng)兩種制備方法。使用鍵合技術(shù)制備的GaN-on-diamond如圖2所示，鍵合技術(shù)通過(guò)分子間相互作用，有效緩解位錯(cuò)傳播，但面臨鍵合溫度、界面層厚度和成分控制等挑戰(zhàn)。在GaN背面生長(zhǎng)金剛石的外延生長(zhǎng)技術(shù)如圖3所示，能獲得連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)，降低界面熱阻，但存在高質(zhì)量金剛石襯底制備困難、生長(zhǎng)過(guò)程易引入缺陷等問(wèn)題。盡管面臨挑戰(zhàn)，但研究人員不斷取得進(jìn)展。如通過(guò)改進(jìn)SAB方法，采用混合SiO?-Ar離子源進(jìn)行表面處理，使界面熱阻降至8.3 m²K/GW。在外延生長(zhǎng)方面，優(yōu)化生長(zhǎng)工藝和條件，能有效減少缺陷，提升器件性能。
圖2 使用鍵合技術(shù)制備的GaN-on-diamond
圖3 在GaN背面生長(zhǎng)金剛石的外延生長(zhǎng)技術(shù)
GaN-on-diamond技術(shù)在射頻（RF）器件、功率器件和微波器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在DARPA NJTT項(xiàng)目中，基于金剛石襯底的GaN晶體管實(shí)現(xiàn)了11 W/mm的線性功率，熱通量超40 kW/cm²，功率處理能力提升超三倍。未來(lái)，隨著研究的不斷深入，GaN-on-diamond技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，推動(dòng)GaN器件向更高性能、更高可靠性方向發(fā)展，為6G通信、高效電力傳輸?shù)刃屡d技術(shù)提供堅(jiān)實(shí)的硬件支持。
圖4 終極半導(dǎo)體金剛石可以幫助生產(chǎn)面向未來(lái)市場(chǎng)的GaN器件，促進(jìn)GaN器件的廣泛應(yīng)用
基金支持
本研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，廣東省基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目，廣東省自然科學(xué)基金杰出青年基金，深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目，國(guó)家自然科學(xué)基金，蘇州市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
引用方式
Fan, K., Guo, J., Huang, Z. et al. GaN-on-diamond technology for next-generation power devices. Moore. More 2, 8 (2025). https://doi.org/10.1007/s44275-024-00022-z
通訊作者簡(jiǎn)介
劉新科（通訊作者）：深圳大學(xué)材料學(xué)院研究員，IEEE Senior Member, 博士研究生導(dǎo)師，深圳大學(xué)微電子研究院院長(zhǎng)助理。專(zhuān)注于GaN功率器件研究11年，以第一作者/通訊作者在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Materials Today、Advanced Materials、IEEE EDL/TED等發(fā)表123篇SCI論文，近5年（2020－至今）發(fā)表文章共計(jì)68篇，Google學(xué)術(shù)總引用4360次。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和課題，國(guó)家自然科學(xué)基金（青年和面上），廣東省自然科學(xué)基金杰出青年項(xiàng)目等國(guó)家，省部級(jí)項(xiàng)目10項(xiàng)。以第一發(fā)明人申請(qǐng)專(zhuān)利100項(xiàng)，其中授權(quán)35項(xiàng)中國(guó)專(zhuān)利和1項(xiàng)美國(guó)專(zhuān)利，實(shí)現(xiàn)了29項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)讓。作為第一完成人，獲得2022年度廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2022年度中國(guó)電子學(xué)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、2023年度深圳市青年科技獎(jiǎng)（深圳高校僅四位名額，提名人：毛軍發(fā)院士）、2024年度英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士（FRSC）。
（來(lái)源：Moore and More）
