2006年，美國Cree公司的Wu等人研制的GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT），4GHz時的輸出功率密度達到 41.4W/mm。近十多年來，氮化鎵（GaN）的研究熱潮席卷了全球的電子工業。

氮化鎵（GaN）基半導體材料具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質結構等優異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，是近20余年以來研制微波功率器件最理想的半導體材料。隨著外延材料晶體質量的不斷提高和器件工藝的不斷改進，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和電路，工作頻率越來越高，輸出功率越來越大，器件尺寸也越來越小，過熱的問題越來越突出，逐漸成為制約這種器件向更高性能提升的障礙之一。

采用高熱導率金剛石作為高頻、大功率 GaN基器件的襯底或熱沉，可以降低器件的自加熱效應，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現的功率密度迅速下降的問題，因此在國際上成為近幾年的研究熱點。

金剛石在GaN基HEMT中的應用潛力

4英寸金剛石基GaN晶圓

金剛石具有禁帶寬度大、硬度和熱導率極高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗腐蝕、抗輻照等優異性能，在高壓和高效功率電子、高頻和大功率微電子、深紫外光電子等領域都有著極其重要的應用前景。金剛石具有目前所知的天然物質中最高的熱導率（2200Ｗ/ｍ·Ｋ），比碳化硅（SiC）大４倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大 43倍，是銅和銀的4~5倍，所以，目前的一個重要研究方向是將金剛石作為大功率 GaN基微波器件的襯底或將其應用于其他散熱通道，有望解決 GaN 基微波器件隨總功率增加、頻率提高出現的功率密度迅速下降、效率降低和器件失效問題。此外，不摻雜的金剛石亦具有很高的電阻，這也非常有利于提高GaN功率單片微波集成電路（MMIC）的器件隔離度。

硅、碳化硅（SiC）、金剛石襯底GaN對比

硅襯底氮化嫁：這種方法比另外兩種良率都低，不過它的優勢是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它很快就會以價格為競爭優勢對抗現有硅和砷化鎵技術，理所當然會威脅它們根深蒂固的市場。

碳化硅襯底氮化鎵：這是射頻氮化鎵的“高端”版本，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級別的氮化鎵產品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環境下使用。

金剛石襯底氮化鎵：將這兩種東西結合在一起是很難的，但是好處也是巨大的：在世界上所有材料中工業金剛石的熱導率十分優異（因此最好能夠用來散熱）。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導熱率優勢發揮出來，可以實現非常接近芯片的有效導熱面。

幾種典型半導體材料性能對比

金剛石作為襯底在GaN基HEMT中的研究歷程

2001年，德國的Seelmann-Eggebert等人就從理論和實驗兩方面探討了化學氣相沉積金剛石熱擴散膜在GaN基HEMT中的應用潛力。

2003年，Felix Ejeckam發明了金剛石上的GaN，以有效地從GaN晶體管中最熱的位置提取熱量，其基本理念是利用較冷的GaN放大器使系統更節能，減少浪費。金剛石上的GaN晶片是通過GaN通道或外延將其從原始的Si襯底中剝離下來，而后通過一個35 nm的SiN界面層結合在CVD合成的金剛石襯底上。這種200°C的GaN通道與CVD形成納米級的金剛石是接近最導熱工業材料,它會大大降低放大器的基板和通道之間的溫度上升。下圖顯示了金剛石晶圓片上GaN的制作過程。多年來，許多課題組已經量化了上述的熱改善。先將Si襯底GaN基HEMT晶圓片黏貼到一個臨時Si載片上，待原始的硅基板被蝕刻掉，然后利用CVD方法在GaN層下方的35 nm的界面層上沉積金剛石。最后，臨時的Si載體被蝕刻，最終的金剛石上的GaN晶圓被加工為HEMTs或MMICs。

金剛石晶圓片上GaN的制作過程

2007年，Francis等對Si、藍寶石、SiC和金剛石等幾種GaN基 HEMT的常用襯底進行了對比研究，研究結果表明，即使是與熱導率較高的SiC襯底相比，金剛石襯底GaN基HEMT的優勢也非常明顯，所研制的金剛石襯底 GaN基 HEMT，熱阻降低58%，輸出功率密度提高3倍

歐盟于2008年啟動 MORGaN項目（2008-11-01~2011-10-31），首先將高熱導率金剛石引入了GaN 基HEMT器件和電路的研制中，研究單晶金剛石襯底、納米金剛石表面覆膜等技術對GaN 基HEMT器件性能的影響。下圖給出了他們的一個早期研究結果，研究發現，在器件研制過程中引入納米金剛石表面覆膜，可以將襯底對器件的影響大大降低，提高器件的散熱能力。

歐盟MORGaN計劃研究結果

隨后，在2011年，美國國防先期研究計劃局（DARPA）啟動了 “近結熱傳輸 ”（HJTT）項 目（2011-2015），支持NGAS、BAE、Raytheon、TriQuint和RFMD 5個團隊開展金剛石用于GaN基HEMT以解決器件散熱問題的研究。這些團隊于2013年4月30日演示了所研制的基于金剛石的GaN 基HEMT，該晶體管顯示出比商用器件低得多的結溫，大幅改善了晶體管的熱特性，并且使射頻系統的性能得到提升。在保持相同輸出功率的情況下，新型放大器比目前最先進的氮化鎵放大器尺寸減小3倍，從而使得射頻系統的尺寸更小、重量更輕、功耗更低；在保持相同尺寸的情況下，該新型功率放大器可增大輸出功率3倍，使得通信系統的信號更強、雷達裝備的探測距離更遠。

2012年，Hirama等常用的使用SiC為襯底的HEMT 結構與使用金剛石為襯底的HEMT結構的溫度進行了測量，在柵寬630um，輸出功率2W 的條件下，器件溫度最高處分別為36℃與46℃，與室溫相比分別上升了13℃和23℃，下圖所示。由此計算得使用金剛石襯底的HEMT 熱阻值為4.1 K·mm·W-1，是目前所報道的HEMT器件中的最低值。相比之下，相同結構使用SiC襯底的HEMT器件的熱阻為7.2 K·mm·W-1，約是使用金剛石襯底的器件熱阻的2倍。

2013年，美國Group4的研究人員對金剛石襯底 GaN基 HEMT器件的可靠性進行了研究，器件在溝道溫度 200℃下175000 h的試驗過程中，電流變化最大不超過10%，顯示了金剛石襯底 GaN基 HEMT在長期可靠性方面的優勢。

2017年，富士通公司和富士通實驗室宣布開發出第一種在室溫下將單晶金剛石鍵合到SiC基板上的技術。這克服了之前在非常高的溫度下進行GaN與金剛石鍵合時的最大挑戰之一：由于熱膨脹系數（CTE）的不匹配而導致的晶片彎曲。

通過用極薄的金屬膜保護金剛石表面，富士通成功地防止了損傷層的形成，并通過“室溫鍵合”技術將單晶金剛石鍵合到SiC襯底上。使用實際測量的熱參數進行仿真確認使用該技術的器件熱阻將降低至現有的61％。該技術保證了GaN功率放大器在應用于氣象雷達等系統時能夠以約1.5倍的更高功率工作。

2017年3月，RFHIC宣布他們已從元素六公司收購了金剛石基GaN技術，并計劃在2018年底前將該工藝商業化。自2016年以來，他們一直在使用金剛石基GaN技術，并在其聲明中稱“在可預見的未來，RFHIC將與元素六和代工合作伙伴密切合作，實現10000個6英寸金剛石基GaN的年產出。RFHIC的技術路線圖是在2018年底前發布覆蓋40 GHz的金剛石基GaN解決方案。”

國內重點研究金剛石襯底GaN基HEMT的單位主要集中在中電集團、中科院半導體所、西安交通大學、西安電子科技大學、電子科技大學等，并相繼取得突破，掌握了高質量半導體金剛石單晶材料制備的MPCVD和RFCVD技術，實現英寸級單晶金剛石襯底及其關鍵設備的產業化。

未來展望

基于多晶金剛石的襯底轉移技術、基于單晶金剛石的材料直接外延技術和基于納米金剛石薄膜的器件表面覆膜技術，在解決高頻、大功率GaN基HEMT的散熱方面都具有非常重要的應用潛力。下一代金剛石基GaN技術將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統，為5G和6G移動通信網絡和更復雜的雷達系統鋪平道路。

第四屆國際碳材料大會暨產業展覽會已邀請中國電子科技集團公司首席專家，中國電科13所專用集成電路國家級重點實驗室常務副主任，馮志紅副總工程師分享《高質量金剛石材料及其在微波功率器件的應用》，以下是具體信息。

個人簡介
       馮志紅，博士，研究員，博導，畢業于香港科技大學電機與電子工程系，現任河北半導體所專用集成電路國家級重點實驗室常務副主任，副總工程師，中國電子科技集團公司首席專家，國際電工委員會（IEC）專家。發表SCI/EI論文共計100余篇。研究方向涉及寬禁帶半導體GaN，石墨烯、金剛石和固態太赫茲等技術領域。

報告題目：高質量金剛石材料及其在微波功率器件的應用

內容簡介：金剛石具有優異的性質，例如最高的熱導率，高臨界擊穿電場，高載流子遷移率，高飽和漂移速度以及寬的禁帶寬帶，是制作高頻高功率器件的理想候選材料。金剛石特殊的晶體結構使其難以摻雜，氫處理可以獲得表面氫終端p型導電溝道。但是，對于高頻高功率應用，金剛石二維空穴氣的方阻仍然很高，遷移率低，使得氫終端金剛石場效應晶體管的寄生電阻大，限制其性能。本工作中，研究了氫終端金剛石二維空穴氣的輸運特性。單晶和多晶氫終端金剛石的遷移率滿足關系，表明離化雜質散射起主導作用。制作了單晶和多晶金剛石MESFET和MOSFET器件。研究了晶體質量，器件結構柵長，源漏間距等對氫終端金剛石射頻性能的影響。

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