中国科研团队突破GaN器件散热瓶颈：4H-SiC/金刚石复合衬底技术实现热阻降低61.4%

随着5G通信、卫星通信、雷达等高功率应用场景的快速发展，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）已成为高频、高功率及恶劣环境下不可或缺的核心器件。然而，随着器件功率密度和工作电压的持续提升，其自热问题日益严峻。传统基于单晶Si或SiC衬底的散热能力已逐渐难以满足需求，成为制约器件性能与可靠性的关键瓶颈。在此背景下，利用具有超高热导率的金刚石构建高效散热衬底，被视为突破GaN器件散热限制的理想路径。

近日，中国科学院微电子研究所刘新宇研究员团队与北京青禾晶元半导体科技有限公司、南京电子器件研究所等单位合作，成功基于4H-SiC/金刚石复合衬底实现了高散热性能的GaN HEMT器件，为攻克GaN器件的散热难题提供了创新且可行的技术方案。相关研究成果以《GaN HEMTs on 4H-SiC/Diamond Engineered Substrate with Enhanced Heat Dissipation》为题，发表于器件领域权威期刊 IEEE Electron Device Letters。微电子所博士生雷依培为论文第一作者，王鑫华研究员为通讯作者。

技术突破：创新复合衬底结构与键合工艺

研究团队直面GaN与金刚石之间存在的严重晶格失配和热膨胀系数失配难题，创造性地在金刚石衬底表面引入一层4H-SiC薄膜作为缓冲层。该薄膜能在高温GaN外延生长过程中有效缓解应力，保障GaN材料的高质量生长。

核心技术在于采用了基于表面活化键合（SAB）的薄膜二次转移技术。团队将厚度仅约784纳米的高质量4H-SiC薄膜成功键合转移到金刚石衬底上，该键合结构可耐受超过1100℃ 的高温外延工艺，确保了后续器件制备的可行性。此工艺实现了高达98% 的键合率，且转移后的4H-SiC薄膜晶体质量优异，X射线衍射摇摆曲线半高宽与体块SiC晶体相当。

性能卓越：界面热阻达国际最优水平

经过900℃高温退火处理后，4H-SiC与金刚石之间的界面热阻进一步降低至 13.6 m²·K/GW。这一数值是目前国内外已公开报道的4H-SiC/金刚石界面热阻中的最优水平。性能的大幅提升与退火过程中界面非晶层的消失及局部重结晶密切相关，显著增强了界面间的热传导效率。

散热效果显著：器件结温大幅降低

在基板温度70℃的稳态测试条件下，团队对制备的GaN HEMT器件进行了红外热成像分析。在高达32.5 W/mm的功耗下，对比同批次工艺、同规格的纯SiC衬底器件，基于4H-SiC/金刚石复合衬底的器件表现出压倒性的散热优势：

• 器件整体热阻降低了61.4%。

• 在23.4 W/mm的典型工作条件下，器件结温显著降低了40.5℃。

应用前景：推动高功率微波器件发展

上述实验结果充分证明，4H-SiC/金刚石复合衬底技术在完全兼容现有GaN器件制备工艺的前提下，能显著提升器件的散热能力，从而有效降低工作温度、提升功率密度和长期可靠性。这项研究为下一代高功率、高效率的微波射频器件（如5G/6G基站、相控阵雷达、卫星通信载荷等）的研发提供了关键的衬底材料解决方案，展现出广阔的产业化应用前景。

该成果标志着我国在宽禁带半导体散热集成技术领域取得了重要进展，为突破未来超高频、超高功率电子系统的热管理瓶颈奠定了坚实的技术基础。