GaN-on-diamond技术，开启功率器件散热新纪元

作者：碳方程新材料（山西）有限公司
类别：行业新闻
更新时间：2025-05-09 15:20:32
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近日，深圳大学刘新科团队在英⽂期刊MaM上发表题为“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”的综述文章。该期刊已入选“中国科技期刊卓越行动计划”高起点新刊。文章中详述氮化镓-金刚石（GaN-on-diamond）技术在下一代功率器件中的应用，系统介绍其研究现状、关键技术及应用前景。论文第一作者为范康凯，通讯作者为刘新科。

高频高功率时代的散热难题

随着消费电子向高频高功率发展，氮化镓(GaN)器件因具高击穿场强等优异特性，成下一代热门选择，但高功率密度下的自热效应严重制约其性能。传统硅/碳化硅基板因导热效率不足，导致商用GaN晶体管功率密度仅达3-8W/mm，远低于理论极限，亟需突破性散热技术革新。

GaN-on-diamond技术：

革命性散热方案

GaN-on-diamond技术通过结合高导热金刚石基板（2200 W/mK）与GaN器件，显著提升散热能力，解决 GaN 器件散热难题，其核心集成方法包括键合（剥离GaN基板与金刚石键合）和外延生长（直接沉积GaN层），其中界面热阻可低至3 m²K/GW，远优于SiC基板。此外，图案化生长、纳米晶金刚石封层等技术进一步优化散热性能，突破传统热管理瓶颈。

自热效应：

GaN器件性能的隐形杀手

GaN HEMT器件在高功率运行时因载流子运动引发自热效应，漏极附近形成局部热点，导致结温升高、寿命指数下降及性能衰退。传统Si/SiC基板受限于低热导率，加剧热量积累。解决这一问题的关键在于寻找具有更高热导率的基板材料。金刚石因其高达 2000 W/m/K 的热导率而成为理想的候选材料。在 GaN-on-diamond 结构中，金刚石的高热导率能够快速将器件活动区的热量传导至封装中的散热器，有效防止局部过热。这种优异的散热能力使得 GaN-on-diamond 结构能够在更高功率密度下运行，同时保持器件的可靠性和稳定性。

界面热阻：

散热性能的关键因素

界面热阻（TBR）是GaN-on-diamond散热性能的关键限制因素，源于界面原子振动失配及缺陷（如位错、粗糙度、晶格失配），导致声子散射加剧。通过优化键合技术（如表面活化键合减少非晶碳层）和外延生长工艺，并结合SiNx介质层（界面热阻低至9.5 m²K/GW），可显著降低TBR，优于AlN或无介质层方案（＞20 m²K/GW），从而提升整体热传导效率。

GaN-on-diamond热管理技术：

现状与挑战

目前有四种基于金刚石的散热技术：多晶、单晶金刚石散热技术，分别利用多晶、单晶特性提升散热；嵌入式金刚石散热柱技术增强局部散热；金刚石钝化层技术兼具保护与散热作用。GaN-on-diamond 技术潜力大，但实际应用面临挑战，如金刚石加工制备难，GaN 与金刚石热膨胀系数等差异大易致界面缺陷，以及高质量外延层剥离和金刚石基板生长技术难题。

界面热阻与电子-声子耦合理论

界面热阻与电子 - 声子耦合理论紧密相关，该耦合指电子与晶格振动相互作用，在 GaN-on-diamond 体系中，对界面热传输影响重大。它既能促进电子与晶格能量交换，影响热传输；又会因使晶格振动畸变而增加界面热阻，阻碍热量传输。为准确计算和测量界面热阻，提出了漫反射失配模型等多种计算方法及时域热反射法等实验测量方法，为优化器件散热性能提供理论支撑。

GaN-on-diamond技术：

从实验室到实际应用

GaN-on-diamond 技术在射频、功率和微波器件等领域前景广阔，有望推动 GaN 器件性能、可靠性和寿命飞跃，未来或拓展至超宽禁带半导体领域。不过，其大规模商业化应用面临技术和工程挑战，如优化键合工艺、解决晶格失配等。未来研究将聚焦降低界面热阻、开发高效散热封装技术及探索新材料组合等。该技术极具前景，正受关注，有望成为半导体行业发展新引擎。

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