近日，住友電氣工業(yè)株式會(huì)社（以下簡(jiǎn)稱“住友電工”）與大阪公立大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“OMU”）在日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JST）的聯(lián)合研究項(xiàng)目中取得了一項(xiàng)突破性成果：成功在2英寸多晶金剛石（PCD）基板上成功制備氮化鎵高電子遷移率晶體管（以下簡(jiǎn)稱“GaN-HEMT”）。這一技術(shù)為移動(dòng)通信及衛(wèi)星通信核心器件實(shí)現(xiàn)更高容量與更低功耗邁出了關(guān)鍵一步。

2英寸多晶金剛石襯底上實(shí)現(xiàn)高頻器件用的GaN-HEMT結(jié)構(gòu)

       1、散熱困境：通信芯片的“高燒”危機(jī)

       GaN-HEMT是5G基站、雷達(dá)和衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)暮诵钠骷?fù)責(zé)處理大功率高頻信號(hào)。但隨著通信數(shù)據(jù)量激增，芯片工作時(shí)產(chǎn)生的熱量也急劇攀升。傳統(tǒng)硅（Si）或碳化硅（SiC）襯底導(dǎo)熱能力有限，熱量堆積不僅降低信號(hào)傳輸效率，還會(huì)縮短設(shè)備壽命——如同手機(jī)長(zhǎng)時(shí)間玩游戲會(huì)發(fā)燙降頻一樣。

       2、金剛石登場(chǎng)：散熱性能碾壓傳統(tǒng)材料

       金剛石擁有自然界最高的熱導(dǎo)率（1200~2000 W/m·K），是硅的12倍、碳化硅的4~6倍。將其作為襯底，可將芯片熱阻降低至硅基的1/4、碳化硅基的1/2。此前大阪公立大學(xué)的實(shí)驗(yàn)已證明：相同功率下，金剛石基GaN芯片溫升遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)材料。

       3、技術(shù)突破：納米級(jí)平滑表面的直接鍵合

       過(guò)去，多晶金剛石因表面粗糙（5-6納米）難以與GaN層緊密結(jié)合，需依賴焊料或粘合劑，反而阻礙散熱。為了實(shí)現(xiàn)GaN-HEMT在多晶金剛石上的直接鍵合，住友電工與大阪公立大學(xué)緊密合作突破了兩大關(guān)鍵技術(shù)：

       1、住友電工的拋光技術(shù)：將金剛石表面粗糙度降至傳統(tǒng)水平一半，達(dá)到原子級(jí)平整；

       2、大阪公立大學(xué)的轉(zhuǎn)移技術(shù)：將GaN層從硅襯底完整剝離，直接鍵合至拋光后的金剛石表面。

       兩者結(jié)合，成功地將GaN層直接鍵合到2英寸的多晶金剛石上。這一成果展示了多晶金剛石基板上的氮化鎵結(jié)構(gòu)及其均質(zhì)散熱特性。

       4、散熱優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景

       金剛石作為目前自然界中熱導(dǎo)率最高的材料之一，具有顯著提升散熱性能的潛力。金剛石基GaN-HEMT器件在雷達(dá)、5G通信、航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)用于相控陣芯片時(shí)，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性并減小系統(tǒng)的尺寸和成本；用于固態(tài)功率放大器時(shí)，可顯著減小器件的尺寸、成本和質(zhì)量并提升效率；用于寬帶通信時(shí)，可在減小芯片尺寸成本的同時(shí)提升可靠性。

       5、鍵合工藝技術(shù)的詳解

       金剛石基GaN-HEMT的鍵合工藝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)兩者集成的關(guān)鍵方法之一。主要包括表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴(kuò)散鍵合和水解輔助固化鍵合等技術(shù)。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，例如表面活化鍵合技術(shù)需要高真空度環(huán)境，但鍵合強(qiáng)度高；親水鍵合技術(shù)步驟簡(jiǎn)單，但對(duì)設(shè)備要求低，但可能在大尺寸鍵合過(guò)程中影響鍵合效果。

       6、未來(lái)展望

       研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃加快開(kāi)發(fā)面向量產(chǎn)的4英寸基板，包括調(diào)整設(shè)備性能和鍵合條件。未來(lái)，金剛石基GaN-HEMT器件將朝著更大尺寸、更高質(zhì)量和更低成本的方向發(fā)展。通過(guò)優(yōu)化鍵合工藝，積極開(kāi)發(fā)新型鍵合材料與方法，有望提升鍵合質(zhì)量和性能，進(jìn)而推動(dòng)金剛石與GaN集成技術(shù)的進(jìn)步，使其在高性能功率器件制造領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。