GaN-on-diamond技術(shù)，開啟功率器件散熱新紀(jì)元

作者：碳方程新材料（山西）有限公司
類別：行業(yè)新聞
更新時(shí)間：2025-05-09 15:20:32
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近日，深圳大學(xué)劉新科團(tuán)隊(duì)在英?期刊MaM上發(fā)表題為“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”的綜述文章。該期刊已入選“中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃”高起點(diǎn)新刊。文章中詳述氮化鎵-金剛石（GaN-on-diamond）技術(shù)在下一代功率器件中的應(yīng)用，系統(tǒng)介紹其研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景。論文第一作者為范康凱，通訊作者為劉新科。

高頻高功率時(shí)代的散熱難題

隨著消費(fèi)電子向高頻高功率發(fā)展，氮化鎵(GaN)器件因具高擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)異特性，成下一代熱門選擇，但高功率密度下的自熱效應(yīng)嚴(yán)重制約其性能。傳統(tǒng)硅/碳化硅基板因?qū)嵝什蛔悖瑢?dǎo)致商用GaN晶體管功率密度僅達(dá)3-8W/mm，遠(yuǎn)低于理論極限，亟需突破性散熱技術(shù)革新。

GaN-on-diamond技術(shù)：

革命性散熱方案

GaN-on-diamond技術(shù)通過結(jié)合高導(dǎo)熱金剛石基板（2200 W/mK）與GaN器件，顯著提升散熱能力，解決 GaN 器件散熱難題，其核心集成方法包括鍵合（剝離GaN基板與金剛石鍵合）和外延生長(zhǎng)（直接沉積GaN層），其中界面熱阻可低至3 m2K/GW，遠(yuǎn)優(yōu)于SiC基板。此外，圖案化生長(zhǎng)、納米晶金剛石封層等技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化散熱性能，突破傳統(tǒng)熱管理瓶頸。

自熱效應(yīng)：

GaN器件性能的隱形殺手

GaN HEMT器件在高功率運(yùn)行時(shí)因載流子運(yùn)動(dòng)引發(fā)自熱效應(yīng)，漏極附近形成局部熱點(diǎn)，導(dǎo)致結(jié)溫升高、壽命指數(shù)下降及性能衰退。傳統(tǒng)Si/SiC基板受限于低熱導(dǎo)率，加劇熱量積累。解決這一問題的關(guān)鍵在于尋找具有更高熱導(dǎo)率的基板材料。金剛石因其高達(dá) 2000 W/m/K 的熱導(dǎo)率而成為理想的候選材料。在 GaN-on-diamond 結(jié)構(gòu)中，金剛石的高熱導(dǎo)率能夠快速將器件活動(dòng)區(qū)的熱量傳導(dǎo)至封裝中的散熱器，有效防止局部過熱。這種優(yōu)異的散熱能力使得 GaN-on-diamond 結(jié)構(gòu)能夠在更高功率密度下運(yùn)行，同時(shí)保持器件的可靠性和穩(wěn)定性。

界面熱阻：

散熱性能的關(guān)鍵因素

界面熱阻（TBR）是GaN-on-diamond散熱性能的關(guān)鍵限制因素，源于界面原子振動(dòng)失配及缺陷（如位錯(cuò)、粗糙度、晶格失配），導(dǎo)致聲子散射加劇。通過優(yōu)化鍵合技術(shù)（如表面活化鍵合減少非晶碳層）和外延生長(zhǎng)工藝，并結(jié)合SiNx介質(zhì)層（界面熱阻低至9.5 m2K/GW），可顯著降低TBR，優(yōu)于AlN或無介質(zhì)層方案（＞20 m2K/GW），從而提升整體熱傳導(dǎo)效率。

GaN-on-diamond熱管理技術(shù)：

現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前有四種基于金剛石的散熱技術(shù)：多晶、單晶金剛石散熱技術(shù)，分別利用多晶、單晶特性提升散熱；嵌入式金剛石散熱柱技術(shù)增強(qiáng)局部散熱；金剛石鈍化層技術(shù)兼具保護(hù)與散熱作用。GaN-on-diamond 技術(shù)潛力大，但實(shí)際應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)，如金剛石加工制備難，GaN 與金剛石熱膨脹系數(shù)等差異大易致界面缺陷，以及高質(zhì)量外延層剝離和金剛石基板生長(zhǎng)技術(shù)難題。

界面熱阻與電子-聲子耦合理論

界面熱阻與電子 - 聲子耦合理論緊密相關(guān)，該耦合指電子與晶格振動(dòng)相互作用，在 GaN-on-diamond 體系中，對(duì)界面熱傳輸影響重大。它既能促進(jìn)電子與晶格能量交換，影響熱傳輸；又會(huì)因使晶格振動(dòng)畸變而增加界面熱阻，阻礙熱量傳輸。為準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量界面熱阻，提出了漫反射失配模型等多種計(jì)算方法及時(shí)域熱反射法等實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法，為優(yōu)化器件散熱性能提供理論支撐。

GaN-on-diamond技術(shù)：

從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用

GaN-on-diamond 技術(shù)在射頻、功率和微波器件等領(lǐng)域前景廣闊，有望推動(dòng) GaN 器件性能、可靠性和壽命飛躍，未來或拓展至超寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域。不過，其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用面臨技術(shù)和工程挑戰(zhàn)，如優(yōu)化鍵合工藝、解決晶格失配等。未來研究將聚焦降低界面熱阻、開發(fā)高效散熱封裝技術(shù)及探索新材料組合等。該技術(shù)極具前景，正受關(guān)注，有望成為半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展新引擎。

碳方程50200A MPCVD設(shè)備

碳方程的50200A MPCVD設(shè)備在生長(zhǎng)多晶產(chǎn)品方面優(yōu)勢(shì)顯著，設(shè)備采用915MHZ的微波頻率，單爐可生產(chǎn)8英寸多晶產(chǎn)品，若用于生產(chǎn)單晶金剛石，單爐能夠穩(wěn)定產(chǎn)出多達(dá) 489 片尺寸為 7*7mm 的單晶金剛石。設(shè)備運(yùn)行功率方面，采用50KW大功率裝置，更大尺寸的多晶產(chǎn)品意味著更高的生產(chǎn)效率和更低的單位成本，能夠滿足客戶大規(guī)模生產(chǎn)的需求。同時(shí)，我們的設(shè)備在技術(shù)方面也有著諸多創(chuàng)新和突破，確保了產(chǎn)品的高質(zhì)量和穩(wěn)定性。有效降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。