隨著移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等大功率應(yīng)用環(huán)境的快速發(fā)展，氮化鎵高電子遷移率晶體管（HEMT）已成為高頻、高功率及惡劣環(huán)境下的核心器件之一。但器件功率密度和工作電壓得不斷攀升，器件自熱問(wèn)題日益突出，傳統(tǒng)單晶Si或SiC襯底在散熱能力方面愈發(fā)難以滿足需求。利用高熱導(dǎo)率金剛石構(gòu)建高效散熱襯底，被認(rèn)為是解決GaN器件自熱、提升可靠性和功率性能的理想路徑。

近日，微電子所劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)與青禾晶元公司、南京電子器件研究所等單位團(tuán)隊(duì)合作，基于4H-SiC/Diamond復(fù)合襯底成功實(shí)現(xiàn)了高散熱性能的GaN HEMT器件，為突破GaN器件散熱瓶頸提供了新的技術(shù)方案。

針對(duì)GaN與Diamond之間嚴(yán)重應(yīng)力和熱失配問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在常規(guī)金剛石襯底表面引入一層4H-SiC薄膜用于高溫GaN外延過(guò)程中緩解晶格失配和熱膨脹失配。該方案創(chuàng)新采用基于表面活化鍵合（SAB）的薄膜二次轉(zhuǎn)移技術(shù)，將厚度約784 nm的4H-SiC薄膜鍵合轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上，可耐受超過(guò)1100℃的高溫，并在此基板上制備出GaN HEMT器件。該工藝實(shí)現(xiàn)了最高可達(dá)98%的鍵合率，轉(zhuǎn)移后4H-SiC薄膜的XRD搖擺曲線半高寬與體SiC相當(dāng)，表明薄膜保持了接近本征的晶體質(zhì)量。經(jīng)過(guò)900 ℃高溫退火處理，4H-SiC/Diamond界面熱阻進(jìn)一步降低至13.6 m2·K/GW，是目前國(guó)內(nèi)外已報(bào)道4H-SiC/Diamond界面熱阻中的最優(yōu)水平，該結(jié)果與退火過(guò)程中非晶中間層的消失及局部重結(jié)晶密切相關(guān)。基于紅外熱成像穩(wěn)態(tài)測(cè)試環(huán)境（基板溫度70℃）測(cè)試了功耗高達(dá)32.5 W/mm條件下的器件結(jié)溫。與同批次工藝同規(guī)格SiC襯底器件相比，SiC/Diamond復(fù)合襯底上GaN HEMT器件熱阻降低了61.4%；在23.4 W/mm的工作條件下，其結(jié)溫降低40.5 ℃。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，4H-SiC/Diamond復(fù)合襯底能夠在保持工藝兼容性的同時(shí)可顯著提升器件散熱能力，在高微波功率器件應(yīng)用方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

上述研究成果以 “GaN HEMTs on 4H-SiC/Diamond Engineered Substrate with Enhanced Heat Dissipation”（doi: 10.1109/LED.2025.3635043）為題，近期發(fā)表在?IEEE Electron Device Letters。微電子所博士生雷依培為第一作者，微電子所王鑫華研究員為論文通訊作者。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11260442

圖1 基于4H-SiC /Diamond襯底的GaN HEMT制備流程

圖2 (a) SiC/Diamond界面熱阻隨退火溫度的變化；(b) 基于不同襯底（SiC 與 SiC/Diamond復(fù)合襯底）GaN HEMT 結(jié)溫隨耗散功率密度的變化。