金刚石衬底是高功率器件散热的未来

氮化镓（GaN）基半导体材料具有禁带宽度大、热导率高等优异性能，非常适于研制高频、大功率微波、毫米波等器件。随着器件工作频率越来越高，输出功率越来越大，器件尺寸也越来越小，过热的问题越来越突出，GaN功率器件常用衬底材料（硅、碳化硅）的热导率较低，仅依靠传统的衬底材料顺利获得被动冷却技术，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。

随着金刚石生长技术的开展，商业应用逐渐开展起来。采用高热导率金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料作为高频、大功率 GaN基器件的衬底或热沉，可以把金刚石高导热率优势发挥出来，实现非常接近芯片的有效导热面，降低器件的自加热效应，并有望解决其随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题，是实现高频､高功率的应用的不二之选。

图1 几种常见的衬底材料性能

有实验证明，使用SiC为衬底的HEMT 结构与使用金刚石为衬底的HEMT结构的温度进行了测量，在栅宽630um，输出功率2W 的条件下，器件温度最高处分别为36℃与46℃，与室温相比分别上升了13℃和23℃，下图所示。由此计算得使用金刚石衬底的HEMT热阻值为4.1 K·mm·W^-1，是现在所报道的HEMT器件中的最低值。相比之下，相同结构使用SiC衬底的HEMT器件的热阻为7.2 K·mm·W^-1，约是使用金刚石衬底的器件热阻的2倍。

图2 金刚石衬底和SiC衬底室温上升对比

高热导率金刚石作为GaN功率器件散热衬底的基本理念是使高热导率金刚石足够近的接触器件有源区（产热区域），顺利获得热传导的方式将热量迅速传输出去。现在制备金刚石衬底GaN基器件技术主要分三种方式：基于低温键合技术、基于GaN外延层生长金刚石技术和基于金刚石衬底上外延生长氮化镓。

1.低温键合技术

将GaN外延层从原始的Si衬底上剥离下来，然后在暴露的GaN表面添加中间层，从而与多晶金刚石衬底结合，使GaN基器件的有源区与CVD金刚石衬底接触，降低功率器件结温。

图3 金刚石衬底 GaN 的低温键合技术

2. 基于GaN外延层生长金刚石技术

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第一时间沉积一层介电层用于保护GaN外延层后再沉积金刚石衬底（厚度~100 μm）。这GaN通道与CVD金刚石是接近最导热工业材料,它会大大降低放大器的基板和通道之间的温度上升。

图4 金刚石晶圆片上GaN的制作过程

3.基于金刚石衬底上外延生长氮化镓

在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构中，凯发k8国际自主研发生产的金刚石基氮化铝(AIN on Diamond)，作为金刚石与氮化镓的缓冲层，具有均匀性好，可简化外延生长步骤，降低成本，减小异质衬底与外延层的晶格失配性等独特显著优势，为实现高质量GaN/AlGaN材料的外延制备给予保障。

图5 AIN on Diamond 生长工艺流程图

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。凯发k8国际现已有金刚石热沉片、金刚石晶圆衬底、金刚石光学窗口片、金刚石基氮化铝、金刚石和氮化镓异质集成等产品。金刚石热沉片的热导率1000- 2200 W/ ( m·K) ，是金刚石基GaN高功率器件材料的首选。欢迎进行详细咨询和洽谈。