解析GaN器件金剛石近結(jié)散熱技術(shù)：鍵合、生長(zhǎng)、鈍化生長(zhǎng)

在追求更高功率密度和更優(yōu)性能的電子器件領(lǐng)域，GaN（氮化鎵）器件因其卓越的性能而備受矚目。然而，隨著功率密度的不斷提升，器件內(nèi)部的熱積累問(wèn)題日益嚴(yán)重，成為制約其發(fā)展的主要瓶頸。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，金剛石近結(jié)散熱技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為提升 GaN 器件散熱能力的有效解決方案。以下將詳細(xì)介紹該技術(shù)的三種主要途徑及其優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。

金剛石襯底鍵合集成散熱技術(shù)

源于美國(guó) DARPA 于 2012 年?duì)恳?NJTT 項(xiàng)目，眾多國(guó)際研發(fā)機(jī)構(gòu)投身其中。其流程為首先研制 GaN 功率器件，接著去除 Si 或 SiC 襯底，隨后將 GaN 器件薄膜層與金剛石襯底鍵合集成，形成自支撐結(jié)構(gòu)。目前已衍生出表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴(kuò)散鍵合等多種技術(shù)。

1、表面活化鍵合技術(shù)

工藝過(guò)程：把 Si、SiN、AlN 等介質(zhì)沉積在金剛石表面，經(jīng)Ar離子活化后，在高真空環(huán)境下與GaN器件加壓鍵合。例如，2022年日本Device Technology Research Institute研究團(tuán)隊(duì)在室溫下實(shí)現(xiàn)該鍵合，界面層厚度極小，僅 1.5nm，金剛石/GaN 的界面熱阻低于 10m2?K/GW。

GaN/金剛石集成表面活化鍵合技術(shù) 圖源：論文

技術(shù)難點(diǎn)：對(duì)金剛石和 GaN 鍵合面的粗糙度要求極為苛刻，需小于1nm。在晶圓級(jí)鍵合時(shí)，要實(shí)現(xiàn)高均勻性、低粗糙度的金剛石表面難度極大，并且在幾納米鍵合介質(zhì)的過(guò)渡層下，確保晶圓級(jí)的鍵合均勻性和強(qiáng)度是關(guān)鍵的突破方向。

2、親水鍵合技術(shù)要點(diǎn)

原理與實(shí)踐：由日本團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，通過(guò)化學(xué)溶液處理讓金剛石和GaN鍵合面生成OH 端，在一定壓力和溫度下促使OH端之間反應(yīng)實(shí)現(xiàn)集成。2023年首次報(bào)道基于此實(shí)現(xiàn)的金剛石與GaN集成，鍵合層厚度小于5nm。

GaN/金剛石集成親水鍵合技術(shù)圖源：論文

現(xiàn)存問(wèn)題：OH端反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量高溫水分子，在晶圓級(jí)鍵合過(guò)程中難以快速逸出，對(duì)鍵合效果產(chǎn)生極大的負(fù)面影響，是該技術(shù)急需解決的難題。

優(yōu)劣勢(shì)：優(yōu)勢(shì)在于金剛石襯底有多種選擇，且 GaN 器件流片過(guò)程無(wú)需涉及金剛石工藝；劣勢(shì)是鍵合界面熱阻、鍵合界面均勻性及鍵合強(qiáng)度的有效控制仍需系統(tǒng)的技術(shù)突破來(lái)達(dá)成。

金剛石襯底生長(zhǎng)集成散熱技術(shù)

也是NJTT項(xiàng)目的重要研究方向，由Raytheon、Element Six 及 Qorvo 牽頭。先去除GaN外延片的Si或SiC襯底，運(yùn)用微波等離子體技術(shù)在GaN背面生長(zhǎng)金剛石襯底，制備出自支撐的金剛石襯底GaN外延片，再進(jìn)行GaN功率器件制備。

關(guān)鍵技術(shù)：

Element Six 的技術(shù)：已成功制備出金剛石襯底 GaN 外延片，并和 Qorvo 合作制成功率器件，其功率密度相比傳統(tǒng) GaN 功率器件提升 3.87 倍。但具體技術(shù)路線尚未見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道，且國(guó)內(nèi)在這方面的相關(guān)成果也暫未出現(xiàn)。該技術(shù)需要在1-2μm的 GaN外延層薄膜上生長(zhǎng)高質(zhì)量、低應(yīng)力、低翹曲、大尺寸的金剛石熱沉，技術(shù)難度頗高。

金剛石襯底 GaN 外延晶圓制備技術(shù) 圖源：論文

俄羅斯團(tuán)隊(duì)的新方案：俄羅斯 National Research Center Kurchatov Institute 研究團(tuán)隊(duì)提出新方案，在（111）晶向的Si薄膜（厚度 410nm）表面直接外延生長(zhǎng)金剛石襯底，然后在Si薄膜另一面生長(zhǎng)GaN外延功能層，成功制備出金剛石襯底GaN 功率器件。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，相同結(jié)構(gòu)下，該器件結(jié)溫為133℃，相比傳統(tǒng)同結(jié)構(gòu)SiC 襯底GaN器件（Qorvo 的產(chǎn)品）的172℃，溫升下降39℃，熱阻下降44.8%，在源漏電壓為15V 時(shí)，功率提升37%，為該技術(shù)提供了新的可行途徑。

金剛石襯底 GaN 器件分析：(a) SiC 襯底 GaN 器件散熱能力; (b) 金剛石襯底 GaN 器件散熱能力; (c) 金剛石襯底 GaN 器件輸出特性; (d) 金剛石襯底 GaN 器件主要工藝步驟

金剛石鈍化生長(zhǎng)集成散熱技術(shù)

最早由美國(guó)Naval Research Laboratory提出并開(kāi)展研究，2021年美國(guó)DARPA持續(xù)推動(dòng)該技術(shù)方向的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)外均已取得一定研究成果。

代表性研究：

1、南京電子器件研究所：

成果：率先報(bào)道了柵長(zhǎng)小于 0.4 μm 的金剛石鈍化 GaN 功率器件。

工藝：采用柵前金剛石生長(zhǎng)鈍化途徑，引入多步金剛石微納刻蝕控制與 SiN 隔離層創(chuàng)新工藝。

柵 長(zhǎng)0.3μm金 剛 石 鈍 化GaN器 件 及 輸 出 特 性：(a) 柵長(zhǎng); (b) 輸出特性 圖源：論文

性能：研制出金剛石厚度為 500 nm 的鈍化散熱結(jié)構(gòu)的 GaN 功率器件，熱阻下降 21.4%，小信號(hào)增益提升 36.7%。

2、斯坦福大學(xué)：

成果：采用 600 nm 的金剛石鈍化層，制備出單柵指的金剛石鈍化 GaN 功率器件。

性能：器件結(jié)溫相比無(wú)金剛石鈍化結(jié)構(gòu)的 GaN 器件下降 100~150 ℃。

金剛石鈍化 GaN 器件結(jié)構(gòu)與散熱能力: (a) 金剛石鈍化結(jié)構(gòu) ; (b) 散熱能力圖源：論文

3. 優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

優(yōu)勢(shì)：工藝兼容性強(qiáng)，散熱能力經(jīng)濟(jì)性價(jià)比高。

挑戰(zhàn)：金剛石低溫鈍化質(zhì)量控制及其與 GaN 器件工藝兼容性需要進(jìn)一步技術(shù)突破。

總結(jié)

GaN 器件金剛石近結(jié)散熱技術(shù)為解決高功率密度器件的熱積累問(wèn)題提供了創(chuàng)新性的解決方案。三種主要技術(shù)途徑各有特點(diǎn)：

金剛石襯底鍵合集成：靈活性高，但工藝控制要求嚴(yán)格。

金剛石襯底生長(zhǎng)集成：散熱性能優(yōu)異，但技術(shù)難度大。

金剛石鈍化生長(zhǎng)集成：工藝兼容性好，但鈍化層質(zhì)量控制是關(guān)鍵。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，金剛石近結(jié)散熱技術(shù)有望成為未來(lái)高功率密度電子器件熱管理的重要發(fā)展方向，為推動(dòng)電子器件性能的提升提供強(qiáng)有力的支持。