近日，深圳大學劉新科團隊以“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”為題在MaM上發表綜述文章，詳細闡述了氮化鎵-金剛石（GaN-on-diamond）技術在下一代功率器件中的應用，系統介紹了該技術的研究現狀、關鍵技術以及應用前景。第一作者為范康凱，通訊作者為劉新科。MaM是全球首本專注集成電路超越摩爾（泛摩爾技術）領域的英?期刊，已入選“中國科技期刊卓越行動計劃”高起點新刊。
隨著消費電子行業的迅猛發展，電子設備對高功率和高效散熱的需求日益迫切。GaN材料雖具備諸多優異特性，理論上能實現超高功率密度，但實際應用中，其產生的大量熱量難以有效散發，導致結溫升高，嚴重限制了器件性能。當器件功率密度達到6 W/mm時，溝道溫度可超200 ℃，極大縮短了器件壽命。而傳統的硅（Si）、碳化硅（SiC）等襯底材料，因熱導率有限，無法滿足GaN器件的散熱需求。在此背景下，具有超高熱導率（2 200 W/m/K）的金剛石脫穎而出。將金剛石作為GaN器件的襯底，能顯著提升散熱效率，有效降低結溫，增強器件的可靠性和穩定性，GaN-on-diamond技術應運而生。
本文指出，在GaN-on-diamond結構中，金剛石的超高熱導率使熱量能迅速從器件有源區傳導至封裝散熱片，有效避免局部過熱。如圖1所示，與傳統SiC襯底相比，在相同功率密度梯度下，基于金剛石襯底的HEMTs溫度上升更低，能在更高功率密度下穩定運行。理論計算表明，GaN-on-diamond界面的熱邊界電阻（TBR）可低至3 m²K/GW，遠低于SiC襯底。這使得電子-聲子耦合在該技術中發揮關鍵作用，促進能量高效傳遞，進一步降低界面熱阻，提升散熱效率，顯著緩解自熱效應。
圖1 不同襯底的GaN功率器件在熱性能方面的基準測試：硅基GaN[38]、碳化硅基GaN[10,38,40,41]和金剛石基GaN[39,42,43]
熱邊界電阻是影響GaN-on-diamond技術散熱性能的關鍵因素。論文深入探討了其相關影響因素，并提出多種降低熱阻的創新方法。通過表面活化鍵合（SAB）等技術，可優化界面結構，減少缺陷，降低熱阻。研究發現，采用SAB方法在室溫下鍵合GaN和金剛石，能有效減少界面非晶碳層的形成，降低熱阻。同時，引入合適的介電層也能降低熱邊界電阻。如選用SiN作為介電層，可在界面形成Si-C-N層，顯著降低熱阻，提高熱導率。此外，圖案化生長、納米晶金剛石（NCD）覆蓋膜以及金剛石鈍化層等新技術的探索，為進一步提升熱管理能力提供了新途徑。
目前，GaN-on-diamond技術主要有鍵合和外延生長兩種制備方法。使用鍵合技術制備的GaN-on-diamond如圖2所示，鍵合技術通過分子間相互作用，有效緩解位錯傳播，但面臨鍵合溫度、界面層厚度和成分控制等挑戰。在GaN背面生長金剛石的外延生長技術如圖3所示，能獲得連續的晶體結構，降低界面熱阻，但存在高質量金剛石襯底制備困難、生長過程易引入缺陷等問題。盡管面臨挑戰，但研究人員不斷取得進展。如通過改進SAB方法，采用混合SiO?-Ar離子源進行表面處理，使界面熱阻降至8.3 m²K/GW。在外延生長方面，優化生長工藝和條件，能有效減少缺陷，提升器件性能。
圖2 使用鍵合技術制備的GaN-on-diamond
圖3 在GaN背面生長金剛石的外延生長技術
GaN-on-diamond技術在射頻（RF）器件、功率器件和微波器件等領域展現出巨大的應用潛力。在DARPA NJTT項目中，基于金剛石襯底的GaN晶體管實現了11 W/mm的線性功率，熱通量超40 kW/cm²，功率處理能力提升超三倍。未來，隨著研究的不斷深入，GaN-on-diamond技術有望在更多領域得到應用，推動GaN器件向更高性能、更高可靠性方向發展，為6G通信、高效電力傳輸等新興技術提供堅實的硬件支持。
圖4 終極半導體金剛石可以幫助生產面向未來市場的GaN器件，促進GaN器件的廣泛應用
基金支持
本研究工作得到了國家重點研發計劃，廣東省基礎研究和應用基礎研究重大項目，廣東省自然科學基金杰出青年基金，深圳市科技計劃項目，國家自然科學基金，蘇州市基礎研究計劃項目的支持。
引用方式
Fan, K., Guo, J., Huang, Z. et al. GaN-on-diamond technology for next-generation power devices. Moore. More 2, 8 (2025). https://doi.org/10.1007/s44275-024-00022-z
通訊作者簡介
劉新科（通訊作者）：深圳大學材料學院研究員，IEEE Senior Member, 博士研究生導師，深圳大學微電子研究院院長助理。專注于GaN功率器件研究11年，以第一作者/通訊作者在國際學術期刊Materials Today、Advanced Materials、IEEE EDL/TED等發表123篇SCI論文，近5年（2020－至今）發表文章共計68篇，Google學術總引用4360次。主持國家重點研發計劃項目和課題，國家自然科學基金（青年和面上），廣東省自然科學基金杰出青年項目等國家，省部級項目10項。以第一發明人申請專利100項，其中授權35項中國專利和1項美國專利，實現了29項知識產權轉讓。作為第一完成人，獲得2022年度廣東省科技進步二等獎、2022年度中國電子學會科技進步獎二等獎、2023年度深圳市青年科技獎（深圳高校僅四位名額，提名人：毛軍發院士）、2024年度英國皇家化學會會士（FRSC）。
（來源：Moore and More）