金刚石热沉助力GaN HEMT的雷达系统小型化

由于与长距离支持相关的更高输出，雷达系统中使用的晶体管会产生更多热量。由于发热导致性能下降，因此需要冷却装置，但由于包括空调设备在内的整个系统价格昂贵且安装位置有限，因此冷却装置的简化和小型化成为问题。富士通使用在室温下接合 GaN HEMT 衬底和单晶金刚石的技术（注 4）成功地从 GaN HEMT 的背面有效地散热，但为了获得更高的散热效果。需要一项技术表面也能形成散热性极好的金刚石薄膜。但是，由于一般金刚石热沉的形成温度高达900℃，因此存在GaN HEMT被破坏的问题。

这一次开发一种技术，可以在不破坏GaN HEMT的低温（约650°C）下在GaN HEMT表面形成高散热性的金刚石薄膜，并成功降低了热值，运行温度降低 40%。这简化了冷却系统，并使使用 GaN HEMT 的雷达系统小型化。

近年来，GaN HEMT已被广泛用作气象雷达和无线通信中高频放大器的晶体管。未来需要增加雷达和基站的安装数量，以实现局部暴雨的高精度观测和稳定的毫米波大容量通信环境。另一方面，GaN HEMT在大功率运行过程中，由于内部温度升高，性能下降，因此安装冷却设备导致系统尺寸增加是阻碍其增加的因素之一。

为了减小冷却装置的尺寸和简化，考虑通过不仅覆盖GaN HEMT的背面而且用金刚石覆盖正面来提高散热效率并降低GaN HEMT的内部温度散热性极好的薄膜，可以做到。此时，需要大粒径的金刚石晶体来有效地传导热量，以免热量在金刚石内部积聚。由于形成这样的金刚石膜通常需要900℃左右的高温，因此存在金刚石形成过程中下部GaN HEMT被破坏的问题。此外，当在不破坏 GaN HEMT 的低温（高达 650°C）下形成金刚石膜时，给予作为金刚石原料的甲烷气体的热能变小，金刚石不形成或数百纳米以下的小金刚石。存在仅形成颗粒（纳米金刚石），并且每个颗粒成为面向不同方向的晶体的集合体的问题，这阻碍了颗粒之间的有效热传递（图1）。

在不破坏晶体管的低温（约650°C）下形成高散热性金刚石膜的技术，并在世界上首次成功演示了GaN的操作表面涂有高散热金刚石膜的HEMT。

为了在 GaN HEMT 上形成高散热金刚石膜，首先在 GaN HEMT 的整个表面上放置直径为几纳米的极小纳米金刚石颗粒。之后，通过将纳米金刚石颗粒暴露于具有高热能的甲烷气体中，甲烷气体中所含的碳可以转化为金刚石并结合到排列的颗粒中。当碳具有高能量时，它具有选择性地结合到特定方向的钻石中的特性，因此相同方向的钻石可以结合并变大。另一方面，如果提供给甲烷气体的热能很小，则甲烷气体中所含的碳将不具有结合到所放置的纳米金刚石颗粒中所需的能量。因此，它变成了面向不同方向的小颗粒的集合体。

富士通着眼于甲烷气体接收的热能根据金刚石形成过程中的压力和作为金刚石原料的甲烷气体的浓度而发生变化，并选择性地选择即使在高温下仍沿特定方向取向的纳米金刚石颗粒。低温条件。我发现我可以把它做大。这使得将纳米金刚石转化为微米级金刚石成为可能，其尺寸是 1000 倍（图 2）。因此，热量可以很容易地通过金刚石，而 GaN HEMT 可以有效地散热。

图 1 开发的金刚石薄膜与常规技术的比较

图 2 金刚石形成前后晶体管的俯视图

影响

通过使用这次开发的技术，与没有金刚石膜的情况相比，可以将 GaN HEMT 操作期间的发热量降低约 40%，并将温度降低 100°C 或更多。此外，通过使用富士通开发的室温下接合金刚石和碳化硅的技术，结合背面的散热，可以将 GaN HEMT 的正面和背面都覆盖一层金刚石热沉，产生的热量可以减少，预计显着减少约77%（图3）。

因此，小型冷却装置可以应用于以前需要大型冷却装置的高性能雷达系统，这可以节省安装位置的空间并促进安装数量的增加。结果，高精度的天气预报成为可能，例如，可以在防灾方面实现安全和有保障的社会，例如早期发现发展为游击性暴雨的积雨云。

图3 金刚石散热方式与散热特性对比

未来，目标是在 2022 年将高散热 GaN HEMT 放大器商业化，以应用于天气雷达系统和下一代无线通信系统。凯发k8国际是一家优秀的金刚石热沉厂家，一直致力于推动金刚石材料的商业化应用，在GaN 和Diamond结合应用已有重大突破，助力GaN & Diamond，发挥高效散热以及性能提升。