GaN-on-diamond技术，开启功率器件散热新纪元

近日，深圳大学刘新科团队在英⽂期刊MaM上发表综述文章“GaN-on-diamond technology for next-generation power devices”。文章由范康凯任第一作者、刘新科任通讯作者，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。MaM是全球首本专注集成电路泛摩尔技术的期刊，入选“中国科技期刊卓越行动计划”高起点新刊。

高频高功率时代的散热难题

消费电子业飞速发展，电子设备迈入高频、高功率时代。氮化镓（GaN）基功率器件因具高击穿场强等优异特性，成下一代热门选择。但高功率运行时，其内部热量难散，自热效应显著，会降低性能与可靠性。传统散热方案如用硅或碳化硅基板，热导率有限，难满足散热需求，使商业 GaN HEMT 输出功率密度远低于理论值，行业亟需创新散热方案。

金刚石基氮化镓技术的革命性散热解决方案

GaN-on-diamond 技术将 GaN 器件与高热导率（2200 W/m/K）的金刚石基板结合，提升芯片散热能力，解决 GaN 器件散热难题。其集成方法有键合和外延生长，研究表明界面热阻可低至 3 m²K/GW。该技术潜力巨大，能更高效传导热量、降低工作温度，提升功率密度，满足高功率需求，还推动了图案化生长等新技术发展，为优化散热、提升器件性能和可靠性提供新路径。

自热效应：GaN器件性能的隐形杀手

界面热阻（TBR）是电子器件热量传递时在界面处受阻的现象，主要由界面原子振动不匹配导致，受界面缺陷、完整性、粗糙度等因素影响，缺陷会引发声子散射、增加热阻。降低界面热阻是提升 GaN-on-diamond 散热性能的关键，可通过优化键合与外延生长技术实现，如采用表面活化键合技术，选合适介质层（如 SiNx）也能有效降低热阻，凸显介质层选择对热传导的重要性。

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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