金刚石热沉衬底赋能 GaN HEMT，攻克高功率器件散热瓶颈

随着 GaN HEMT 器件向高频、高功率密度方向迭代，芯片源区热量堆积问题持续加剧。结区高热流密度会直接降低器件运行稳定性与可靠性，大幅缩短设备使用寿命。

传统碳化硅衬底导热能力已无法匹配高功率 GaN 器件散热需求。金刚石常温热导率超 2000 W・m⁻¹・K⁻¹，是已知导热性能最优固态材料。将金刚石热沉片用作 GaN HEMT 专用散热衬底，可从根源解决器件高温淤积难题，全方位优化器件综合性能。目前，金刚石基 GaN HEMT 已成为全球宽禁带半导体领域重点研究方向。

GaN HEMT 工作产生的热量，需依次穿过 GaN 功能层、介质层、金刚石成核层多层界面后，才能经由金刚石衬底散出。异质材料交界面会产生声子散射，形成界面热阻；热阻数值越高，层间热量传导效率越差，金刚石高导热优势难以发挥。因此，界面热阻是决定金刚石基 GaN 器件散热效果的核心指标。

当前制备金刚石基 GaN HEMT 包含 SAB 表面活化键合、GaN 基底直接生长金刚石两条主流工艺路线，二者界面热阻诱因存在明显区别。

一、SAB 键合工艺热阻来源

金刚石表面能极高，无法与 GaN 直接键合，行业采用两种改良工艺：

1. 等离子体活化室温键合：等离子体轰击会在两种材料表层生成数纳米非晶层，无序晶体结构加剧声子散射，抬升界面热阻；

2. 介质层辅助键合：界面引入非晶介质层实现贴合，但非晶材料导热性能差，成为热量传输壁垒。

二、GaN 基底直接生长金刚石工艺热阻来源

1. 防护介质层：为避免等离子体刻蚀损伤 GaN 功能层，需低温沉积防护介质层，磁控溅射、ALD 等低温工艺制备的介质层多为非晶态，导热系数极低；

2. 金刚石成核层：金刚石难以在 GaN 表面直接成核，人工预成核阶段生成的初期金刚石层晶体质量差、热导率偏低；

3. 附加影响因素：衬底剥离后残留的 GaN 外延成核层、界面表面粗糙度，同样会增大界面热阻。

两条工艺路线存在共性热阻诱因：剥离 SiC / 硅原生衬底后残留的 GaN 外延成核层。针对各类热阻问题，可通过三类技术手段降低界面热阻：

1. 优化界面介质体系：选用高导热介质材料，搭配退火工艺提升介质结晶度；结合第一性原理计算，基于声子匹配理论筛选适配介质，搭建高效导热通道；

2. 精准调控金刚石成核工艺：调整金刚石纳米颗粒粒径、成核密度，优化成核层晶体品质，降低成核层带来的热损耗；

3. 去除冗余外延层：通过精密刻蚀、研磨工艺完全清除 GaN 外延残留成核层，消除结构性热阻。

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。