金刚石热沉/衬底助力HEMT器件性能提升

金刚石是超宽禁带半导体材料，具有载流子迁移率高、载流子饱和漂移速率大、击穿场强大、热导率高等优异性质，是解决高频大功率电子器件散热问题的理想材料。将金刚石作为大功率电器件的热沉/衬底，能大幅提升器件的散热能力，有效改善器件高温退化情况，提升器件功率特性等。 

传统GaN功率器件一般选择Si,SiC等作为衬底材料，近年来，随着功率器件工艺不断提升，理论输出功率越来越高，频率越来越大，体积越来越小，仅靠传统的衬底材料通过被动冷却技术，已经难以满足高功率条件下的散热需求，成为了限制功率器件进一步发展的主要瓶颈之一。 

采用热导率更高的金刚石作为高频、大功率器件的衬底/热沉，功率器件展示出了优异的性能：

1. 漏极电流高温退化情况

在200℃下，基于Si衬底的退化速率明显大于基于金刚石的衬底，表明采用金刚石的衬底的器件高温退化得到了明显改善。采用金刚石衬底，器件的散热能力提升，2DEG随温度的退化也得到有效抑制。

2. 功率特性

转移后的基于金刚石衬底的 HEMTs 器件的饱和输出功率密度输出功率为 2.0W/mm，较转移前的器件提升了1.56dB。而功率附加效率 PAE 则较转移前器件提升了一倍，达到 40.12%。功率性能的改善进一步说明整个转移工艺的成功，也说明了采用金刚石衬底后，由于对器件散热能力的调制，使得功率特性得以提升。

3. 结温变化

对转移前后器件的结温进行提取，器件面积均为 400μm×400μm，可以观察到，在相同耗散功率 下，转移后的GaN-on-Diamond HEMTs 器件较 GaN-on-SOI HEMTs 器件结温显著降低。可以观察到，当直流功耗达到 10W/mm 时，GaN-on-SOI HEMTs 器件结温达到 231.6℃，而转移后的 GaN-on-Diamond HEMTs 为 147.7℃，结温降低 83.9℃。

4. 热仿真

采用有限元软件 ANSYS 对样品进行热仿真模型的建立，并通过结温测试结果对模型进行校准。转移前 GaN-onSOI HEMTs 中衬底的温升占整个器件温升的 77%，是阻碍器件散热的主要因素。而转移后的 GaN-on-Diamond HEMTs 器件温度大幅降低，其中，金刚石衬底的温升仅占器件整体温升的 17%，而键合层的温升占据器件整体温升的 42%，成为影响器件散热能力提升的瓶颈因素，是后续工艺优化的关键。

数据表明，采用金刚石热沉/衬底的功率器件具有更高的散热能力，这将在高功率射频、微波通信、 5G /6G、航空航天、国防等领域具有极高的应用价值。凯发k8国际现已有金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石基氮化铝、金刚石和氮化镓异质集成等产品，其中金刚石热沉片的热导率1000-2200W/（m.k），是高功率器件衬底材料的首选。