金刚石热沉：高功率器件热管理核心解决方案

各类电力电子设备工作过程中均会持续产热，器件开关频率提升、电流密度增大，会进一步加剧热循环效应。芯片异质结温度上升会直接造成漏极电流衰减，器件电学性能大幅下滑；伴随电流密度持续走高，自热效应会让沟道温度较环境温度高出数百摄氏度，不仅恶化器件工作指标，严重时还会造成金属引线熔毁，是缩短功率器件使用寿命、降低运行可靠性的核心诱因。

对比硅、碳化硅、氮化镓三类宽禁带半导体材料综合性能能够发现，氮化镓器件最突出短板为本征导热性能偏弱。GaN HEMT 瞬态升温测试结果证实，器件纵向散热通道的导热效率，完全由界面连接材料与封装基底决定，传统封装散热方案已无法适配高频大功率氮化镓器件温控需求，亟需新型超高导热衬底技术实现散热升级。

兼具超高导热系数与优良电绝缘特性的衬底，是高功率 GaN 晶体管的理想承载基材。对比多款商用衬底热导率参数可见，单晶金刚石导热性能遥遥领先；硅衬底热导率仅 191 W/(m・K)，碳化硅衬底为 490 W/(m・K)，二者散热能力存在明显上限。采用 CVD 法制备的多晶金刚石热导率可达 1500 W/(m・K)，导热性能为碳化硅的 3 倍，同时具备优异绝缘特性，作为散热衬底可从根源解决 GaN HEMT 高热流散热瓶颈。

GaN HEMT 核心发热区域为二维电子气（2DEG）层，热点集中于栅极靠近漏极一侧。金刚石散热层距离有源沟道越近，热量导出效率越高，缩短热源与金刚石衬底的距离可最大化释放材料散热优势。

借助 ANSYS 有限元仿真建模，对 GaN-on-Diamond 与传统商用 GaN-on-SiC 器件开展热性能对比测试。在 3 倍功耗加载条件下，金刚石基 GaN 器件最高结温仅 244℃，相较碳化硅基底器件结温降低 16℃，温控优势显著。

当前 GaN 与金刚石异质集成散热方案主流工艺为衬底转移键合技术：将成型 GaN HEMT 芯片从原生碳化硅衬底剥离，再通过 150℃以下低温键合工艺转移贴合至多晶 CVD 金刚石热沉衬底。相较于直接外延生长金刚石路线，转移键合工艺适配性、工艺灵活度优势突出。

经工艺制备得到的 GaN-on-Diamond HEMT 器件，在 10GHz 连续波工况下，直流电流密度可达 1.0 A/mm，跨导 330 mS/mm，射频输出功率密度 6.0 W/mm；有限元热仿真数据显示，相比传统 GaN-on-SiC 器件，其单位面积功率承载能力提升 3 倍，充分验证金刚石热沉片在射频功率器件热管理领域的颠覆性价值。

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。