解析GaN器件金刚石近结散热技术：键合、生长、钝化生长-电子发烧友网

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。