GaN HEMTs热管理新突破：多晶金刚石与3C-SiC直接集成技术研究进展

一、主要作者及研究机构
本研究的通讯作者为日本大阪都市大学（Osaka Metropolitan University）的Jianbo Liang副教授，合作团队包括北京大学集成光电子学前沿科学中心的Zhe Cheng和Zifeng Huang、日本东北大学材料研究所（IMR）的Yutaka Ohno、Koji Inoue等学者。研究成果发表于《Advanced Materials Technologies》期刊，预计于2025年正式刊出（预印本DOI: 10.1002/admt.202500437）。

二、学术背景与研究目标
1. 科学领域与问题
研究聚焦宽禁带半导体（如GaN、SiC）在高功率电子器件（如HEMTs，高电子迁移率晶体管）中的热管理挑战。GaN HEMTs在5G基站、雷达、电动汽车等领域应用广泛，但高功率密度导致的局部热点（hot spots）会降低器件可靠性（温度每升高10°C，器件寿命减半）。金刚石因其超高热导率（>2000 W·m⁻¹·K⁻¹）被视为理想散热材料，但单晶金刚石（SCD）成本高且尺寸受限（最大仅2英寸），而多晶金刚石（PCD）可规模化生产（可达8英寸），但存在界面粗糙度（ nm要求）和晶界声子散射两大技术瓶颈。

1. 研究目标
   本研究旨在开发一种室温直接键合技术，将粗糙度较高的PCD（2.48 nm）与3C-SiC集成，用于GaN HEMTs散热，并揭示晶粒结构（grain structure）和界面工程（interface engineering）对热导率的影响机制。
   

三、实验流程与方法
1. 材料制备与键合工艺
- PCD生长：通过微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）在硅衬底上生长400 μm厚PCD，甲烷-氢气混合气体（2-5% CH₄），沉积温度700-1100°C，耗时400小时。
- 异质结构转移：将AlGaN/GaN/3C-SiC外延层从6英寸Si衬底剥离，经化学机械抛光（CMP）后，通过表面活化键合（SAB，Surface-Activated Bonding）技术在室温下与PCD键合。键合过程采用氩快原子束（Ar-FAB）辐照（1.6 kV，160 mA），施加1 GPa压力维持180秒。

1. 界面表征与热学测试
   

• 透射电镜（TEM）分析：键合后界面形成7 nm非晶层，经1100°C退火转化为13 nm多晶SiC层，无裂纹或分层。
  
• 电子背散射衍射（EBSD）：PCD生长面晶粒平均尺寸55.9 μm（最大141 μm），而形核面（nucleation surface）仅2.2 μm，证实晶粒尺寸梯度分布。
  
• 时域热反射法（TDTR）：测量PCD生长面热导率达2088 W·m⁻¹·K⁻¹，高于SCD（1971 W·m⁻¹·K⁻¹），但界面热导（TBC）因晶界散射较低（92 vs. 150 mW·m⁻²·K⁻¹）。
  

1. 器件制备与性能评估
   

• GaN HEMTs制造：在2英寸PCD晶圆上制备栅长5 μm的HEMTs，通过微光致发光（μ-PL）技术测量器件表面温度。
  
• 热阻（Rth）对比：PCD基HEMTs的Rth为14.7 K·mm·W⁻¹，比SCD高27%，归因于形核面小晶粒的声子散射；移除形核层后热导率显著提升。
  

四、关键结果与科学意义
1. 界面工程突破
SAB技术首次实现高粗糙度PCD（2.48 nm）与3C-SiC的室温键合，退火后形成结晶良好的SiC过渡层，为工业级PCD应用扫除技术障碍。

1. 晶粒结构影响机制
   

• 生长面优势：大晶粒（>10 μm）减少声子散射，使PCD局部热导率超过SCD。
  
• 形核面瓶颈：细晶粒（ μm）导致热阻增加，通过机械抛光移除可优化散热性能。
  

1. 器件级验证
   在8 W·mm⁻¹功率密度下，PCD基HEMTs的栅极边缘温升（73.8°C）显著低于Si基器件（231.8°C），证明PCD在大面积散热中的潜力。
   

五、结论与价值
1. 科学价值
揭示了PCD晶粒尺寸梯度对热输运的影响规律，为界面声子工程提供理论依据。
2. 应用价值
该技术推动低成本、大尺寸PCD在5G基站、电动汽车等高功率场景的产业化应用。

六、研究亮点
1. 方法创新：开发无需超平滑表面的PCD键合技术，突破传统<0.3 nm粗糙度限制。
2. 跨尺度关联：从原子级（TEM界面）到宏观级（2英寸晶圆）系统验证热管理性能。
3. 可扩展性：技术路线可延伸至β-Ga₂O₃等其他宽禁带半导体集成。

七、其他发现
研究还发现氧气残留会提高界面热阻，未来可通过超高真空工艺进一步优化。这一成果标志着金刚石散热技术从实验室走向量产的关键一步。