近日，住友電氣工業株式會社（以下簡稱“住友電工”）與大阪公立大學（以下簡稱“OMU”）在日本科學技術振興機構（JST）的聯合研究項目中取得了一項突破性成果：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（以下簡稱“GaN-HEMT”）。這一技術為移動通信及衛星通信核心器件實現更高容量與更低功耗邁出了關鍵一步。

2英寸多晶金剛石襯底上實現高頻器件用的GaN-HEMT結構

       1、散熱困境：通信芯片的“高燒”危機

       GaN-HEMT是5G基站、雷達和衛星信號傳輸的核心器件，負責處理大功率高頻信號。但隨著通信數據量激增，芯片工作時產生的熱量也急劇攀升。傳統硅（Si）或碳化硅（SiC）襯底導熱能力有限，熱量堆積不僅降低信號傳輸效率，還會縮短設備壽命——如同手機長時間玩游戲會發燙降頻一樣。

       2、金剛石登場：散熱性能碾壓傳統材料

       金剛石擁有自然界最高的熱導率（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。此前大阪公立大學的實驗已證明：相同功率下，金剛石基GaN芯片溫升遠低于傳統材料。

       3、技術突破：納米級平滑表面的直接鍵合

       過去，多晶金剛石因表面粗糙（5-6納米）難以與GaN層緊密結合，需依賴焊料或粘合劑，反而阻礙散熱。為了實現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緊密合作突破了兩大關鍵技術：

       1、住友電工的拋光技術：將金剛石表面粗糙度降至傳統水平一半，達到原子級平整；

       2、大阪公立大學的轉移技術：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構及其均質散熱特性。

       4、散熱優勢與應用前景

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

       5、鍵合工藝技術的詳解

       金剛石基GaN-HEMT的鍵合工藝技術是實現兩者集成的關鍵方法之一。主要包括表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴散鍵合和水解輔助固化鍵合等技術。這些技術各有優缺點，例如表面活化鍵合技術需要高真空度環境，但鍵合強度高；親水鍵合技術步驟簡單，但對設備要求低，但可能在大尺寸鍵合過程中影響鍵合效果。

       6、未來展望

       研究團隊計劃加快開發面向量產的4英寸基板，包括調整設備性能和鍵合條件。未來，金剛石基GaN-HEMT器件將朝著更大尺寸、更高質量和更低成本的方向發展。通過優化鍵合工藝，積極開發新型鍵合材料與方法，有望提升鍵合質量和性能，進而推動金剛石與GaN集成技術的進步，使其在高性能功率器件制造領域發揮更大作用。