金刚石热沉衬底赋能GaN HEMT器件：散热革新与性能全面升级

伴随现代集成电路技术高速迭代，CPU、GPU等核心芯片性能与功率持续跃升，器件工作热流密度大幅提升。高效疏导芯片工作集聚热量、维持器件理想温控区间、保障系统长期平稳运行，已成为高端半导体器件稳定工作的必要前提，也使得高性能导热散热材料的研发与应用成为半导体产业的重点研究方向。

当前电子器件正向高功率、高集成度快速演进，传统散热材料已难以兼顾高导热、低热膨胀、轻量化、无污染等多重技术指标。金刚石常温热导率可达2000Wm⁻¹K⁻¹以上，同时具备优异介电性能、低热膨胀系数、高化学稳定性等综合优势，是现阶段适配高端半导体器件的理想散热基材。在产业落地过程中，如何实现金刚石与硅（Si）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等主流半导体材料的高效、稳定连接，是制约金刚石散热技术规模化商用的核心技术壁垒。

金刚石拥有业界顶尖的本征导热性能，若实现与半导体器件的直接键合集成，可最大限度释放其超高散热潜力。行业主流的金刚石与半导体直连工艺，采用“外延沉积+衬底剥离+低温键合”的创新技术路线：先在常规衬底表面完成半导体材料外延生长，再剥离原生衬底，最终将半导体功能层与金刚石衬底完成低温键合集成。该工艺体系规避了传统外延工艺的高温工况，大幅降低了异质材料热膨胀失配引发的高密度位错缺陷，有效保障器件晶格完整性与工作性能。同时无需金刚石沉积所需的氢等离子体极端环境，彻底避免半导体器件本征性能衰减问题。

该技术方案适配性广泛，单晶金刚石与多晶金刚石均可作为低温键合热沉基板，大幅降低了高端金刚石衬底的制备门槛与量产成本。且半导体外延功能层与金刚石热沉基板可独立制备、再精准键合集成，有效精简金刚石基半导体器件的整体制备工艺流程，提升产业化效率、降低工艺损耗。

依托低温键合创新工艺，金刚石基半导体器件可在300℃以下甚至室温环境下完成精准键合集成，从工艺源头优化器件散热结构，大幅提升高功率半导体的整体散热性能。以GaN HEMT器件改良工艺为例，该技术可精简GaN缓冲层厚度、消除传统成核层结构，以高导热金刚石衬底替代传统SiC衬底，使器件核心热源处于金刚石衬底1mm高效导热区间内，显著降低器件整体热阻。

工艺测试结果表明，以氮化硅（SiN）作为界面结合层，可实现极低界面热阻，界面热阻值低至2.5×10⁻⁹m²·K·W⁻¹。连续波直流性能测试验证，GaN器件转移至金刚石衬底后，直流工作性能未出现明显衰减，充分证明该低温键合工艺可精准控制界面应力与界面热阻，工艺稳定性与器件可靠性优异。

除直接键合工艺外，Si、SiC、GaN等半导体与金刚石的间接连接方案，主要依托锡（Sn）、银（Ag）等金属中间层实现封装集成。从散热原理来看，金刚石与芯片无介质直连是最优散热结构，但现有直连工艺仍不可避免存在功能中间层，例如沉积工艺中的SiN界面层、晶片键合工艺中的硅/碳化硅过渡层等。这类非金属中间层导热性能相对有限，会一定程度削弱金刚石的极致散热优势。与之相比，金属中间层导热性能更优，且金属介质封装技术成熟、稳定性高，是现阶段半导体金刚石散热封装的重要产业化路径。

当前金刚石热沉半导体封装领域的核心攻关重点，在于突破大面积、高可靠、高效率、低成本的金刚石与半导体芯片键合集成技术。尤其在高功率、高温、高频、高压等极端军工与算力工况下，如何长期保障异质键合界面的结构稳定性、性能可靠性，仍是行业亟待突破的关键技术难题。

从国家战略产业发展维度来看，金刚石凭借超高导热、超硬耐磨、化学稳定、耐高低温等独特理化特性，在高功率半导体器件、高端光电子器件、新能源、航空航天等战略领域拥有广阔应用前景。持续加快金刚石热沉材料及键合集成技术的研发迭代与产业化落地，能够有效提升我国宽禁带半导体前沿技术竞争力，带动高端电子产业升级，助力制造业创新转型与高质量发展。

化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。