全球首款多单元结构金刚石基GaN HEMT发布

据麦姆斯咨询报道，三菱电机（Mitsubishi Electric）宣布与美国国家先进工业科学与技术研究所（AIST）MEMS和微工程研究中心（UMEMSME）合作，开发出了一种直接键合在高导热性单晶金刚石衬底上的多单元结构（多个晶体管单元并联排列）氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT）。

三菱电机表示，这是世界上首次实现多单元GaN-HEMT直接键合到单晶金刚石衬底上。该研究成果已于9月2日~5日在日本名古屋大学（Nagoya University）举行的固态器件和材料国际会议（SSDM）上发布。

这种新型金刚石基GaN HEMT旨在提高移动通信基站和卫星通信系统中高功率放大器的功率附加效率，从而帮助降低功耗。三菱电机表示，该产品将在2025年商业化之前进一步完善。在此次合作中，三菱电机负责GaN-on-Diamond HEMT的设计、制造、评估和分析，AIST开发了直接键合技术。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

（1）全球首款金刚石衬底直接键合的多单元结构GaN-HEMT

为了得到有效热导率更高的金刚石基GaN HEMT器件，目前主要采用三种方式实现金刚石衬底与GaN外延材料的结合。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

第一种是在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构。这种方法生长难度大，不管是在多晶金刚石（PCD）还是单晶金刚石（SCD）上都会存在AlGaN/GaN层电学性能差的问题，因此需要在外延生长和最后的冷却过程中实现更为精细的界面控制和应力管理。

第二种是在GaN HEMT结构上生长金刚石。这种方法可获得较大尺寸(4英寸)金刚石衬底晶圆，有助于降低成本。然而，为了在GaN层上生长金刚石材料，一般采用高于600℃的CVD技术在SiN等籽晶层上生长，这种方法可能导致影响金刚石材料质量的成核层和热应力的出现。

第三种是基于转移技术的GaN/金刚石键合方法。这种键合方法更为灵活，作为一种并行工艺，GaN外延层和金刚石衬底可以在键合前同时制备，因此对于大功率GaN器件来说越来越具有吸引力。由于该技术早期的键合实验一般在800℃高温下进行，极大限制了生长区域，且需要引入低热导率的界面键合材料，从而导致器件性能优势无法充分发挥。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

在这项研究中，三菱电机将硅衬底上制造的多单元GaN-HEMT去除硅衬底,然后对GaN-HEMT背面进行抛光，使其更薄更平滑，之后使用纳米粘附层将其直接键合到金刚石衬底上。其多单元结构用于实际产品中八个晶体管单元的并联对准。最终，利用单晶金刚石高散热衬底制得了世界上第一个多单元GaN-on-Diamond HEMT。

（2）相比硅衬底上具有相同结构的GaN-HEMT，改善了输出和功率效率，以扩展无线电波范围，并且更节能

采用单晶金刚石（热导率为1900 W/mK）衬底以获得卓越的散热性能可降低热阻值，从而将GaN-HEMT的温升从211.1℃降低至35.7℃。这可使每栅极宽度的输出从2.8 W/mm提高到3.1 W/mm，并将功率效率从55.6%提高到65.2%，从而实现显著的节能效果。

▲ 百叶片,千叶轮,砂带,砂圈,切割片,磨片

该技术在日本已获得2件专利授权，还有9件专利在审查中，而在日本以外的国家和地区还申请了10件专利。