金剛石半導體，日本又有重要突破

3月11日，日本住友電氣工業公司宣布，與大阪公立大學共同在直徑兩英寸的多晶金剛石（PCD）基板上成功制作出氮化鎵（GaN）晶體管，將其熱阻降至硅（Si）的1/4、碳化硅（SiC）的1/2。這項重要突破將改善用于無線通信的高頻半導體GaN晶體管的散熱性能，從而實現更高的頻率和輸出。

近年來，隨著無線通信信息量的增加，對GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的更高頻率化、更高輸出功率的要求越來越高。但這種方式也存在一些問題，例如設備運行時的自發熱會限制其輸出，導致信號無法發送，從而降低通信性能和可靠性。為解決這些問題，大阪公立大學利用熱導率極高的金剛石作為GaNHEMT襯底，成功提高了散熱特性。

一般情況下，GaNHEMT采用Si或SiC作為襯底，但鑒于金剛石具有優異的熱導率（約為Si的12倍、SiC的4-6倍），作為襯底時可以將熱阻分別降低至1/4和1/2。

多晶金剛石因晶粒尺寸較大，表面粗糙度較差，很難在不使用焊料或其他粘合材料的情況下直接粘合到GaN層上。通過住友電工的金剛石襯底拋光技術，將表面粗糙度降低到傳統技術的一半，并整合大阪公立大學將GaN層從Si襯底轉移到多結晶金剛石上的技術，成功地將GaN層直接鍵合到2英寸的多晶金剛石上，證明了GaN結構在多晶金剛石上的可行性及其散熱特性的均勻性。

目前GaN基器件已廣泛用于光電子、射頻和汽車領域。但因源區結熱問題，GaN基功率器件未能充分發揮優勢，傳統襯底及封裝散熱技術難以解決“熱”瓶頸難題。金剛石作為新型熱管理材料，具有超高熱導率，在高頻、大功率GaN基高電子遷移率晶體管和電路的散熱方面*應用潛力，近幾年來一直是國際研究的熱點。

今年1月，大阪公立大學就已取得一項突破性進展——成功地在金剛石基板上制作了GaN晶體管。與傳統的SiC基板相比，新型晶體管的散熱性能提高了2.3倍。研究團隊首先在硅基底上生成了一層3μm厚的GaN層和一層1μm厚的3C-SiC緩沖層，然后將這兩層從硅基底上剝離，并通過表面活性化結合法將其與金剛石基板結合，*終制成尺寸為1英寸見方的GaN晶體管。

美國AkashSystems公司專注于開發用于衛星通信的金剛石基GaN晶體管、功率放大器和無線電設備，產品包括GaN-on-Diamond晶圓、GaN-on-DiamondRF器件、金剛石基GaNMMIC和放大器等。在衛星通信中，散熱主要依靠輻射。使用金剛石基GaN技術，熱量從HEMT的通道中排出的速度比使用SiC基GaN快得多，從而允許更高的襯底溫度，*終通過輻射更好地散熱。

美國威訊聯合半導體（Qorvo）布局天線、功率放大器芯片、濾波器和射頻開關等產業。應用GaN-on-Diamond技術使新一代射頻放大器的體積縮小了三倍，且功率是目前GaN解決方案的三倍。該公司目前與美國國防*研究計劃局合作，尋求金剛石氮化鎵技術領域的新突破。

日本三菱電機在工業及重電設備、衛星、移動通信設備及*半導體等領域占據*地位。公司生產直接鍵合在金剛石襯底上的多單元結構GaNHEMT，目的在于提高移動通信基站和衛星通信系統中高功率放大器的功率附加效率。

國內的研究也十分火熱。化合積電作為我國率先開展GaN&Diamond研究的企業，取得了突破性進展。現有GaNonDiamond、DiamondonGaN以及GaN&Diamond鍵合所需金剛石熱沉片，對標國際*。化合積電現有金剛石熱沉片和晶圓級金剛石產品技術指標達到世界*的水平，晶圓級金剛石生長面表面粗糙度Ra＜1nm，金剛石熱沉片的熱導率達1000-2000W/m.K。

埃特曼半導體技術有限公司通過在硅基底上制作GaN層和3C-SiC緩沖層，并將其與金剛石襯底結合，成功制備了尺寸約為1英寸的GaN晶體管。與在SiC襯底上制造的相同形狀的晶體管相比，金剛石襯底晶體管的散熱能力提高了約2.3倍。

山東大學的科研團隊提出了一種新型散熱策略，通過構建金剛石-SiC復合基板，有效解決了GaN基晶體管的自加熱問題。研究團隊設計并實現了在4H-SiC基板上直接生長多晶金剛石，隨后將SiC基板減薄至*佳厚度，以形成金剛石-SiC復合基板。通過模擬和實驗驗證，與GaN-on-SiC技術相比，GaN-on-金剛石/SiC結構在基礎溫度25°C和耗散功率7.2Wmm-1的條件下，表面溫度降低了52.5°C，熱阻降低了約41%。