金刚石晶圆+氮化镓，突破散热瓶颈

尽管 GaN RF 晶体管已证明固态器件性能显着提高，但由于热限制，它们并未充分发挥其潜力。为了解决这一弱点，2003 年开始努力开发导热率更高的 GaN 金刚石衬底。使用金刚石的主要原因是它在室温下具有所有商业材料中最高的导热率，高达 2000 W/（m·K），而铜的导热系数约为 400。

GaN 是一种重要的宽带隙材料，具有高电子迁移率，与 Si 或 SiC 相比，它使开关和射频功率应用能够在更高的电压、更低的漏电流和更高的频率下运行 。然而，GaN 器件最终通常不受材料电子特性的限制，而是受其通过衬底散热的能力的限制。

通过开发一种工艺，将 GaN 器件层置于一微米的化学气相沉积 (CVD) 金刚石内，其热性能是碳化硅 (SiC) 等典型 GaN 衬底材料的四倍以上，事实证明，GaN-on -金刚石晶体管的面功率密度可以达到 GaN-on-SiC 器件的 3 倍以上 。这也相当于对于给定的器件功率，栅极结和衬底之间的热障电阻 (TBR) 与 GaN-on-SiC 器件相比减少了 50%。

这两个优势可以为国防应用（例如雷达）和商业应用（例如蜂窝基站和通信/气象卫星）带来显着的系统级优势。例如，金刚石基氮化镓射频功率放大器可用于不同程度地降低冷却复杂性和成本，同时延长使用寿命并降低系统成本。面功率密度增加三倍，可以处理更少的晶圆来实现相同的射频功率，从而降低制造成本。

在过去的发展中，已经开发出一种工艺，该工艺可以从市售的硅基氮化镓 (GaN-on-Si) 晶圆开始，去除热限制硅衬底，然后用 CVD 取代它钻石。具体而言，该工艺包括去除 AlGaN/GaN 外延下方的主体 Si 层，在暴露的 AlGaN/GaN 上沉积薄介电材料，然后在表面上生长 CVD 金刚石。

2007-2011 年间，行业通过将金刚石厚度增加至 100 µm，并改善金刚石的内应力和表面质量，进一步改进了金刚石基 GaN 晶圆工艺 。从 2011 年开始，金刚石基 GaN 技术被纳入 DARPA 近结热传输 (NJTT) 计划。该计划的目标之一是通过消除 GaN 2DEG 电传输层下方的 AlGaN/AlN 过渡层，进一步最小化 GaN 和金刚石之间的热边界电阻 (TBR)。2013年，Raytheon和TriQuint（后来的Qorvo）分别宣布，与GaN-on-SiC相比，GaN-on-Diamond技术成功地将工作结温降低了40-45%，并将面射频功率密度提高了两倍。TriQuint 还展示了超过 5W/mm 的输出功率，功率附加效率 (PAE) 为 55%，漏极电压为 28V。

金刚石基氮化镓为高电子迁移率晶体管 (HEMTS) 等极端功率密度射频器件提供了新的晶圆平台。与当前采用 GaN 制造的商用最先进 RF 器件相比，针对 GaN 和高导热金刚石基板之间的热障阻力相关重大挑战的详细工作首次实现了面功率密度的三倍增加-碳化硅上。这些金刚石基氮化镓晶圆的开发为降低射频功率放大器成本、降低射频系统冷却成本以及减小射频子系统的尺寸和重量提供了令人兴奋的潜力。

在室温下金刚石和氮化镓结合，可以承受1000℃的热处理，使其大幅度改善GaN HEMT热管理，从而降低器件的工作温度，是GaN HEMT高温制造工艺的理想材料。凯发k8国际现有三种结合方法：GaN HEMT制备完成后转移键合到金刚石衬底上、在GaN HEMT结构上生长金刚石、在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构。凯发k8国际致力于成为全球领先的宽禁带半导体材料公司，核心产品有金刚石基氮化镓、金刚石热沉片、晶圆级金刚石、单晶金刚石等。