隨著移動通信、衛星通信、雷達等大功率應用環境的快速發展，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，器件自熱問題日益突出，傳統單晶Si或SiC襯底在散熱能力方面愈發難以滿足需求。利用高熱導率金剛石構建高效散熱襯底，被認為是解決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隊與青禾晶元公司、南京電子器件研究所等單位團隊合作，基于4H-SiC/Diamond復合襯底成功實現了高散熱性能的GaN HEMT器件，為突破GaN器件散熱瓶頸提供了新的技術方案。

針對GaN與Diamond之間嚴重應力和熱失配問題，團隊在常規金剛石襯底表面引入一層4H-SiC薄膜用于高溫GaN外延過程中緩解晶格失配和熱膨脹失配。該方案創新采用基于表面活化鍵合（SAB）的薄膜二次轉移技術，將厚度約784 nm的4H-SiC薄膜鍵合轉移到金剛石襯底上，可耐受超過1100℃的高溫，并在此基板上制備出GaN HEMT器件。該工藝實現了最高可達98%的鍵合率，轉移后4H-SiC薄膜的XRD搖擺曲線半高寬與體SiC相當，表明薄膜保持了接近本征的晶體質量。經過900 ℃高溫退火處理，4H-SiC/Diamond界面熱阻進一步降低至13.6 m2·K/GW，是目前國內外已報道4H-SiC/Diamond界面熱阻中的最優水平，該結果與退火過程中非晶中間層的消失及局部重結晶密切相關。基于紅外熱成像穩態測試環境（基板溫度70℃）測試了功耗高達32.5 W/mm條件下的器件結溫。與同批次工藝同規格SiC襯底器件相比，SiC/Diamond復合襯底上GaN HEMT器件熱阻降低了61.4%；在23.4 W/mm的工作條件下，其結溫降低40.5 ℃。上述試驗結果表明，4H-SiC/Diamond復合襯底能夠在保持工藝兼容性的同時可顯著提升器件散熱能力，在高微波功率器件應用方面展現出廣闊的應用前景。

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復合襯底）GaN HEMT 結溫隨耗散功率密度的變化。