金剛石半導(dǎo)體，日本又有重要突破

3月11日，日本住友電氣工業(yè)公司宣布，與大阪公立大學(xué)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(dǎo)體GaN晶體管的散熱性能，從而實現(xiàn)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(shè)備運(yùn)行時的自發(fā)熱會限制其輸出，導(dǎo)致信號無法發(fā)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(xué)利用熱導(dǎo)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(yōu)異的熱導(dǎo)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(shù)，將表面粗糙度降低到傳統(tǒng)技術(shù)的一半，并整合大阪公立大學(xué)將GaN層從Si襯底轉(zhuǎn)移到多結(jié)晶金剛石上的技術(shù)，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(jié)構(gòu)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(lǐng)域。但因源區(qū)結(jié)熱問題，GaN基功率器件未能充分發(fā)揮優(yōu)勢，傳統(tǒng)襯底及封裝散熱技術(shù)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(dǎo)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(yīng)用潛力，近幾年來一直是國際研究的熱點(diǎn)。

今年1月，大阪公立大學(xué)就已取得一項突破性進(jìn)展——成功地在金剛石基板上制作了GaN晶體管。與傳統(tǒng)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(tuán)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(jié)合法將其與金剛石基板結(jié)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(fā)用于衛(wèi)星通信的金剛石基GaN晶體管、功率放大器和無線電設(shè)備，產(chǎn)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(wèi)星通信中，散熱主要依靠輻射。使用金剛石基GaN技術(shù)，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(lián)合半導(dǎo)體（Qorvo）布局天線、功率放大器芯片、濾波器和射頻開關(guān)等產(chǎn)業(yè)。應(yīng)用GaN-on-Diamond技術(shù)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(shù)領(lǐng)域的新突破。

日本三菱電機(jī)在工業(yè)及重電設(shè)備、衛(wèi)星、移動通信設(shè)備及*半導(dǎo)體等領(lǐng)域占據(jù)*地位。公司生產(chǎn)直接鍵合在金剛石襯底上的多單元結(jié)構(gòu)GaNHEMT，目的在于提高移動通信基站和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中高功率放大器的功率附加效率。

國內(nèi)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(yè)，取得了突破性進(jìn)展。現(xiàn)有GaNonDiamond、DiamondonGaN以及GaN&Diamond鍵合所需金剛石熱沉片，對標(biāo)國際*�；�合積電現(xiàn)有金剛石熱沉片和晶圓級金剛石產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)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(dǎo)率達(dá)1000-2000W/m.K。

埃特曼半導(dǎo)體技術(shù)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(jié)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(xué)的科研團(tuán)隊提出了一種新型散熱策略，通過構(gòu)建金剛石-SiC復(fù)合基板，有效解決了GaN基晶體管的自加熱問題。研究團(tuán)隊設(shè)計并實現(xiàn)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(fù)合基板。通過模擬和實驗驗證，與GaN-on-SiC技術(shù)相比，GaN-on-金剛石/SiC結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)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%。