金刚石热沉片助力GaN功率提高16倍!

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。

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/mK。

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 取代它金刚石。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 。康奈尔大学发表了一些初步改进的热性能测量结果，初步的晶体管可靠性研究表明，金刚石基氮化镓在高温下的寿命比硅基氮化镓。

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。

凯发k8国际是我国率先开展金刚石半导体材料研发和生产的企业，目前公司多项核心指标均做到世界领先。公司具备MPCVD设备设计能力，国内首家掌握MPCVD制备高质量金刚石的核心工艺并实现量产， 并且独创基于等离子体辅助抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法，全球首家将金刚石热沉片表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下，达到半导体级应用标准。采用金刚石热沉的大功率半导体激光器已经用于光通信，在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等领域也都有应用。 基于晶圆级的金刚石产品能力，公司开发出了金刚石基氮化镓外延片，主要应用在射频（卫星、5G基站）与高功率器件（光伏、风力发电、新能源车、储能）等对热管理需求高的领域，作为碳化硅基氮化镓材料的补充。