随着移动通信、卫星通信、雷达等大功率应用环境的快速发展,氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)已成为高频、高功率及恶劣环境下的核心器件之一。但器件功率密度和工作电压得不断攀升,器件自热问题日益突出,传统单晶Si或SiC衬底在散热能力方面愈发难以满足需求。利用高热导率金刚石构建高效散热衬底,被认为是解决GaN器件自热、提升可靠性和功率性能的理想路径。

近日,微电子所刘新宇研究员团队与青禾晶元公司、南京电子器件研究所等单位团队合作,基于4H-SiC/Diamond复合衬底成功实现了高散热性能的GaN HEMT器件,为突破GaN器件散热瓶颈提供了新的技术方案。

针对GaN与Diamond之间严重应力和热失配问题,团队在常规金刚石衬底表面引入一层4H-SiC薄膜用于高温GaN外延过程中缓解晶格失配和热膨胀失配。该方案创新采用基于表面活化键合(SAB)的薄膜二次转移技术,将厚度约784 nm的4H-SiC薄膜键合转移到金刚石衬底上,可耐受超过1100℃的高温,并在此基板上制备出GaN HEMT器件。该工艺实现了最高可达98%的键合率,转移后4H-SiC薄膜的XRD摇摆曲线半高宽与体SiC相当,表明薄膜保持了接近本征的晶体质量。经过900 ℃高温退火处理,4H-SiC/Diamond界面热阻进一步降低至13.6 m²·K/GW,是目前国内外已报道4H-SiC/Diamond界面热阻中的最优水平,该结果与退火过程中非晶中间层的消失及局部重结晶密切相关。基于红外热成像稳态测试环境(基板温度70℃)测试了功耗高达32.5 W/mm条件下的器件结温。与同批次工艺同规格SiC衬底器件相比,SiC/Diamond复合衬底上GaN HEMT器件热阻降低了61.4%;在23.4 W/mm的工作条件下,其结温降低40.5 ℃。上述试验结果表明,4H-SiC/Diamond复合衬底能够在保持工艺兼容性的同时可显著提升器件散热能力,在高微波功率器件应用方面展现出广阔的应用前景。

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)为题,近期发表在 IEEE Electron Device Letters。微电子所博士生雷依培为第一作者,微电子所王鑫华研究员为论文通讯作者。

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/11260442

图1 基于4H-SiC /Diamond衬底的GaN HEMT制备流程

图2 (a) SiC/Diamond界面热阻随退火温度的变化;(b) 基于不同衬底(SiC 与 SiC/Diamond复合衬底)GaN HEMT 结温随耗散功率密度的变化。