金刚石衬底：GaN功率器件的未来

近十年来，氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业｡ GaN具有禁带宽度大(室温下为3.39eV)､击穿电场强度高(3.3MV/cm)､饱和电子速度大(2.5×107cm/s)､热导率高(1.5W·cm-1·K-1)、抗辐射能力强以及易于形成异质结构等优异性能等特点，非常适于研制高频､大功率微波､毫米波器件和电路，在 5G 通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值。

适合于高功率高频率器件应用的最基本的元件为GaN高电子迁移率晶体管（ HEMT）。但是随着外延材料晶体质量的持续提高和器件工艺的改进，在小型化和功率增大化的条件下，GaN基微波功率器件的可靠性和稳定性受到严重挑战。

其中最主要的原因是GaN基功率器件随着功率密度的增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，在接近栅极的地方会产生局部的数十纳米大小的热点，局部热流密度可以达到太阳表面热流密度的十倍以上。但这些热量却无法快捷有效地散发出去，这导致其各项性能指标迅速恶化，寿命减少。尽管 GaN 功率器件的理论输出功率密度可达40 W/mm 以上，但是由于现阶段因其自身热效应问题导致GaN HEMT器件功率密度仅为3~5 W/mm。

GaN高电子迁移率晶体管示意图

 由于散热的需求，GaN器件的衬底材料从蓝宝石（33 W/m·K）、Si（导热系数149 W/m·K），GaN（200W/m·K）发展到现在市场上的SiC（导热系数380 W/m·k）。对比个各种基底材料，我们也可以看到，蓝宝石基底导热系数太低（33 W/m·K），而GaN基底导热系数较高（200W/m·K）但是价格相对较贵。Si基GaN器件性能一般但是具有价格优势，SiC基GaN器件是目前雷达和电子战设备无可替代的选择，金刚石具有已知材料中最高的热导率（2000W/m·k），以金刚石作为散热衬底与器件直接键合是减小热阻的理想选择。

几种常见的衬底材料性能

硅基氮化嫁：这种方法比另外两种良率都低，不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。 

碳化硅基氮化镓：这是射频氮化镓的“高端”版本，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用。

金刚石基氮化镓：在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高（因此最好能够用来散热）。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来，可以实现非常接近芯片的有效导热面。

凯发k8国际基于成熟的键合工艺，推出金刚石氮化镓异质集成复合衬底。与传统的SiC基GaN功率器件相比，金刚石衬底 GaN 器件具有更高的散热能力，并且有望实现GaN 基功率器件的小型化和大功率化，从而促进在射频功率器件和微波功率器件相关领域的广泛应用。此外，凯发k8国际的金刚石晶圆生长表面粗糙度Ra<1 nm，可以提供与硅、氮化镓、磷化铟、氧化镓等材料键合。