金刚石热沉片用于GaN散热技术研究

随着GaN基电子功率转化器功率密度的提升和尺寸的缩减，其散热性能在实际应用中显得尤为关键。金刚石，因其卓越的热导率（高达2000W/m.k），在所有天然材料中脱颖而出，成为与GaN集成的理想选择，用以高效消散AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）通道产生的热量。目前，金刚石与GaN的结合工艺正在不断进步，下面我们就来梳理行业内金刚石热沉片用于GaN散热的各种技术实现途径。

金刚石衬底散热技术:

 Diamond on GaN：这种方法可获得较大尺寸金刚石衬底晶圆，有助于降低成本。然而，为了在GaN层上生长金刚石材料，一般采用高于600℃的CVD技术在SiN等籽晶层上生长，这种方法可能导致影响金刚石材料质量的成核层和热应力的出现。

GaN on Diamond：在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构，这种方法生长难度大，不管是在多晶金刚石（PCD）还是单晶金刚石（SCD）上都会存在AlGaN/GaN层电学性能差的问题，因此需要在外延生长和最后的冷却过程中实现更为精细的界面控制和应力管理。

GaN/Diamond键合：基于转移技术的GaN/金刚石键合方法更为灵活，作为一种并行工艺，GaN外延层和金刚石衬底可以在键合前同时制备，因此对于大功率GaN器件来说越来越具有吸引力。由于该技术早期的键合实验一般在800℃高温下进行，极大限制了生长区域，且需要引入低热导率的界面键合材料，从而导致器件性能优势无法充分发挥。

研究人员将硅衬底上制造的多单元GaN-HEMT去除硅衬底,然后对GaN-HEMT背面进行抛光，使其更薄更平滑，之后使用纳米粘附层将其直接键合到金刚石衬底上。其多单元结构用于实际产品中八个晶体管单元的并联对准。最终，利用单晶金刚石高散热衬底制得了世界上第一个多单元GaN-on-Diamond HEMT。

金刚石嵌入式散热柱技术:

利用SiC基GaN器件在其有源区下端的区域对SiC衬底进行深度刻蚀，并采用生长的技术对刻蚀孔进行金刚石材料的生长，实现金刚石嵌入式散热柱结构，使热源区域热量通过金刚石散热柱有效热扩散。

高导热钝化层散热技术:

基于传统的SiC基GaN器件，在有源区的栅两侧采MPCVD的生长技术进行纳米级金刚石薄膜层的生长，替代原有源区的传统钝化层SiNX材料，增加其热源区的横向热传递能力。

凯发k8国际致力于金刚石材料生长、研究，掌握一流的金刚石生长工艺，核心产品包括晶圆级金刚石，金刚石热沉片，金刚石窗口片，金刚石异质集成复合衬底等，其中，金刚石晶圆表面粗糙度Ra＜1nm，可满足与SiC、GaN等材料键合，金刚石热沉片的热导率达到1000-2000W/m.K，产品在光通信、大功率激光器、无人机、5G基站、光伏、新能源汽车等领域均有应用。