深入解析GaN器件金刚石近结散热技术：键合、生长、钝化生长

在追求更高功率密度和更优性能的电子器件领域，GaN（氮化镓）器件因其卓越的性能而备受瞩目。然而，随着功率密度的不断提升，器件内部的热积累问题日益严重，成为制约其发展的主要瓶颈。

为了应对这一挑战，金刚石近结散热技术应运而生，成为提升 GaN 器件散热能力的有效解决方案。以下将详细介绍该技术的三种主要途径及其优势与挑战。

   金刚石衬底键合集成散热技术

源于美国 DARPA 于 2012 年牵引的 NJTT 项目，众多国际研发机构投身其中。其流程为首先研制 GaN 功率器件，接着去除 Si 或 SiC 衬底，随后将 GaN 器件薄膜层与金刚石衬底键合集成，形成自支撑结构。目前已衍生出表面活化键合、亲水键合、原子扩散键合等多种技术。

1、表面活化键合技术

工艺过程：把 Si、SiN、AlN 等介质沉积在金刚石表面，经Ar离子活化后，在高真空环境下与GaN器件加压键合。例如，2022年日本Device Technology Research Institute研究团队在室温下实现该键合，界面层厚度极小，仅 1.5nm，金刚石/GaN 的界面热阻低于 10m²・K/GW。

GaN/金刚石集成表面活化键合技术  图源：论文

技术难点：对金刚石和 GaN 键合面的粗糙度要求极为苛刻，需小于1nm。在晶圆级键合时，要实现高均匀性、低粗糙度的金刚石表面难度极大，并且在几纳米键合介质的过渡层下，确保晶圆级的键合均匀性和强度是关键的突破方向。

2、亲水键合技术要点

原理与实践：由日本团队开发，通过化学溶液处理让金刚石和GaN键合面生成OH 端，在一定压力和温度下促使OH端之间反应实现集成。2023年首次报道基于此实现的金刚石与GaN集成，键合层厚度小于5nm。

GaN/金刚石集成亲水键合技术  图源：论文

现存问题：OH端反应会产生大量高温水分子，在晶圆级键合过程中难以快速逸出，对键合效果产生极大的负面影响，是该技术急需解决的难题。

优劣势：优势在于金刚石衬底有多种选择，且 GaN 器件流片过程无需涉及金刚石工艺；劣势是键合界面热阻、键合界面均匀性及键合强度的有效控制仍需系统的技术突破来达成。

   金刚石衬底生长集成散热技术

也是NJTT项目的重要研究方向，由Raytheon、Element Six 及 Qorvo 牵头。先去除GaN外延片的Si或SiC衬底，运用微波等离子体技术在GaN背面生长金刚石衬底，制备出自支撑的金刚石衬底GaN外延片，再进行GaN功率器件制备。

关键技术：

Element Six 的技术：已成功制备出金刚石衬底 GaN 外延片，并和 Qorvo 合作制成功率器件，其功率密度相比传统 GaN 功率器件提升 3.87 倍。但具体技术路线尚未见诸文献报道，且国内在这方面的相关成果也暂未出现。该技术需要在1-2μm的 GaN外延层薄膜上生长高质量、低应力、低翘曲、大尺寸的金刚石热沉，技术难度颇高。

金刚石衬底 GaN 外延晶圆制备技术  图源：论文

俄罗斯团队的新方案：俄罗斯 National Research Center Kurchatov Institute 研究团队提出新方案，在（111）晶向的Si薄膜（厚度 410nm）表面直接外延生长金刚石衬底，然后在Si薄膜另一面生长GaN外延功能层，成功制备出金刚石衬底GaN 功率器件。对比实验表明，相同结构下，该器件结温为133℃，相比传统同结构SiC 衬底GaN器件（Qorvo 的产品）的172℃，温升下降39℃，热阻下降44.8%，在源漏电压为15V 时，功率提升37%，为该技术提供了新的可行途径。

金刚石衬底 GaN 器件分析：(a) SiC 衬底 GaN 器件散热能力; (b) 金刚石衬底 GaN 器件散热能力; (c) 金刚石衬底 GaN 器件输出特性; (d) 金刚石衬底 GaN 器件主要工艺步骤  

   金刚石钝化生长集成散热技术

最早由美国Naval Research Laboratory提出并开展研究，2021年美国DARPA持续推动该技术方向的发展，目前国内外均已取得一定研究成果。

代表性研究：

1、南京电子器件研究所：

成果：率先报道了栅长小于 0.4 μm 的金刚石钝化 GaN 功率器件。

工艺：采用栅前金刚石生长钝化途径，引入多步金刚石微纳刻蚀控制与 SiN 隔离层创新工艺。

栅 长0.3μm金 刚 石 钝 化GaN器 件 及 输 出 特 性：(a) 栅长; (b) 输出特性  图源：论文

性能：研制出金刚石厚度为 500 nm 的钝化散热结构的 GaN 功率器件，热阻下降 21.4%，小信号增益提升 36.7%。

2、斯坦福大学：

成果：采用 600 nm 的金刚石钝化层，制备出单栅指的金刚石钝化 GaN 功率器件。

性能：器件结温相比无金刚石钝化结构的 GaN 器件下降 100~150 ℃。

金刚石钝化 GaN 器件结构与散热能力: (a) 金刚石钝化结构 ; (b) 散热能力  图源：论文

3. 优势与挑战

优势：工艺兼容性强，散热能力经济性价比高。

挑战：金刚石低温钝化质量控制及其与 GaN 器件工艺兼容性需要进一步技术突破。

   总结

GaN 器件金刚石近结散热技术为解决高功率密度器件的热积累问题提供了创新性的解决方案。三种主要技术途径各有特点：

• 金刚石衬底键合集成：灵活性高，但工艺控制要求严格。

• 金刚石衬底生长集成：散热性能优异，但技术难度大。

• 金刚石钝化生长集成：工艺兼容性好，但钝化层质量控制是关键。

随着技术的不断进步，金刚石近结散热技术有望成为未来高功率密度电子器件热管理的重要发展方向，为推动电子器件性能的提升提供强有力的支持。

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