氮化鎵（GaN）憑借其3.0 MV/cm的高擊穿電場及2.9×10? cm/s的高電子飽和漂移速度，已成為高功率、高頻電子器件領(lǐng)域的核心材料?；贕aN的高電子遷移率晶體管（HEMT）目前已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信、射頻功率放大器等關(guān)鍵領(lǐng)域，為高端電子設(shè)備的性能提升提供了重要支撐。

然而，高功率運(yùn)行場景下，GaN HEMT器件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生顯著的自熱效應(yīng)，過高的工作溫度不僅會(huì)限制器件的輸出功率密度，還會(huì)嚴(yán)重降低其可靠性、縮短使用壽命，因此，高效散熱技術(shù)已成為突破GaN器件性能瓶頸的關(guān)鍵所在。

近日，日本三菱電機(jī)（Mitsubishi Electric Corporation）、熊本大學(xué)（Kumamoto University）及日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，在GaN器件散熱技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。該團(tuán)隊(duì)成功制備出30 mm × 30 mm的大面積GaN-on-diamond HEMT（GoD-HEMT）器件，為高功率射頻器件的散熱難題提供了全新解決方案。相關(guān)研究成果以“Fabrication of a GaN-on-diamond HEMT device using 30-mm-square mosaic-diamond substrate”為題，發(fā)表于《Scripta Materialia》期刊。

01

三種技術(shù)路徑對(duì)比：直接鍵合成最優(yōu)選擇

目前，實(shí)現(xiàn)GaN-on-diamond（金剛石基氮化鎵）結(jié)構(gòu)主要有三種技術(shù)路線，各有優(yōu)劣：其一，在金剛石襯底上外延生長GaN薄膜，但受限于晶格失配問題，難以獲得高質(zhì)量的GaN薄膜；其二，在GaN器件表面沉積金剛石層，高溫沉積過程可能對(duì)器件本身造成損傷；其三，將GaN與金剛石襯底進(jìn)行直接鍵合。相比前兩種技術(shù)，GaN與金剛石的直接鍵合技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著，可在不改變HEMT器件原有結(jié)構(gòu)的前提下，直接提升器件的散熱能力，更契合實(shí)際應(yīng)用需求。

02

從10 mm到30 mm：突破大面積制造瓶頸，邁向產(chǎn)業(yè)化

在前期研究中，該聯(lián)合團(tuán)隊(duì)已成功實(shí)現(xiàn)10 mm尺寸單晶金剛石GaN器件的鍵合，但要推動(dòng)該技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，必須攻克大面積加工的核心難題。本次研究中，團(tuán)隊(duì)將器件尺寸大幅拓展至30 mm × 30 mm，關(guān)鍵在于采用了馬賽克金剛石襯底（mosaic-diamond substrate）——這種襯底由多個(gè)金剛石晶粒拼接而成，既能保證材料本身的優(yōu)異性能，又能實(shí)現(xiàn)更大尺寸的制備，同時(shí)有效降低制造成本、提升工藝兼容性，為大面積器件量產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

高質(zhì)量鍵合的前提是GaN與金剛石表面的極高平整度。為此，研究團(tuán)隊(duì)采用172 nm真空紫外（VUV）輔助拋光技術(shù)對(duì)馬賽克金剛石襯底進(jìn)行處理，同時(shí)結(jié)合化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）工藝，對(duì)GaN表面進(jìn)行精密加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，拋光后金剛石襯底的表面粗糙度從152 nm降至0.12 nm，GaN表面粗糙度也降至約0.21 nm，兩者均低于0.4 nm，完全滿足低溫直接鍵合的嚴(yán)苛要求。

在器件制備過程中，研究團(tuán)隊(duì)采用表面活化鍵合（SAB）技術(shù)，并引入約5 nm厚的硅層作為中間層。在真空環(huán)境下，通過氬離子束對(duì)兩種材料表面進(jìn)行活化處理后，在室溫條件下施加壓力，成功實(shí)現(xiàn)GaN與金剛石的直接鍵合。最終制備出的30 mm × 30 mm GaN-on-diamond HEMT芯片，整體鍵合面積比例達(dá)到95%，僅局部存在少量未鍵合區(qū)域，標(biāo)志著大面積異質(zhì)集成已基本實(shí)現(xiàn)。

03

技術(shù)布局與未來展望

三菱電機(jī)在金剛石領(lǐng)域的布局重點(diǎn)聚焦于GaN-on-Diamond技術(shù)，核心目標(biāo)是解決高功率射頻器件及功率器件（如HEMT）的熱管理難題。該公司與AIST深度合作，開發(fā)了表面激活鍵合（SAB）等室溫直接鍵合工藝，實(shí)現(xiàn)了多單元GaN-HEMT與單晶金剛石襯底的無縫集成，大幅提升了器件的散熱效率、輸出功率及功率附加效率（PAE）。

自2017年起，三菱電機(jī)已開始布局該領(lǐng)域?qū)＠?，覆蓋外延轉(zhuǎn)移、鍵合工藝、器件制造全鏈條，目標(biāo)將該技術(shù)應(yīng)用于5G/6G基站、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等高端高功率場景。此次30 mm × 30 mm大面積GoD-HEMT器件的成功制備，為GaN器件與金剛石散熱材料的大面積異質(zhì)集成提供了關(guān)鍵技術(shù)路徑。未來，隨著制造技術(shù)的進(jìn)一步成熟，GaN-on-diamond器件有望在高功率射頻、下一代通信系統(tǒng)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 展示GoD-HEMT器件制造流程的流程圖。

圖2. 30毫米見方的氮化鎵/金剛石HEMT器件圖像。（a）器件照片。（b）-（c）截面透射電子顯微鏡圖像；（d）氮化鎵與金剛石鍵合界面的能譜線輪廓（C、N、Si、Ga）；（e）-（f）電子能量損失譜輪廓（Si、C）。