芯耀
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在高功率射频和功率电子领域，GaN（氮化镓）器件以其高电子迁移率、高击穿电压和高频率特性，成为5G基站、雷达、卫星通信和新能源汽车等应用的首选材料。但高功率密度带来的一个致命问题就是热量——器件工作时，沟道附近的结温（junction temperature）很容易飙升到200℃以上，导致性能下降、可靠性变差，甚至直接烧毁。
为了解决这个问题，人们把目光投向了金刚石：它的热导率高达2000 W/m·K以上，是传统SiC（~400 W/m·K）或Si（~150 W/m·K）衬底的数倍到十倍以上。于是“GaN-on-Diamond”被视为下一代散热终极方案之一，许多实验室样机也确实实现了结温大幅降低、功率密度成倍提升。
但当这项技术从实验室走向工程化、走向量产时，大家发现：金刚石带来的性能提升远没有想象中那么“自动”。真正的难点，不在金刚石材料本身，而在于整个系统的热设计逻辑。
热源不在衬底，金刚石并非散热起点
在 GaN HEMT 器件中，主要热量产生于栅极附近的沟道区域，尤其集中在靠近漏极一侧的高电场区。由此，器件内部的热传导路径呈现出明确的层级结构：
沟道 → GaN 外延层 → 过渡层 → 界面 → 金刚石衬底
金刚石始终位于热扩散路径的末端，其高热导率能否充分发挥，取决于上游结构是否能够高效地将热量传递并扩散至衬底界面。这意味着，单独强调衬底材料性能，并不能直接等价为器件结温的显著下降。
上图清晰展示了典型GaN-on-Diamond HEMT结构：热源集中在极薄的GaN层（~1μm），热量必须先向下扩散到数百微米厚的金刚石衬底。任何一层“堵塞”都会让峰值温度居高不下。
GaN 层并非“越薄越好”的导热通道
在直观理解中，减薄 GaN 外延层可以缩短热传导路径，从而降低热阻。然而工程分析表明，GaN 层在器件热管理中承担着双重功能：
一方面，GaN 层是纵向热传导的重要通道；另一方面，其厚度直接决定了沟道热量在进入高热导衬底前的横向扩散能力。
当 GaN 层过薄时，虽然纵向路径缩短，但横向热扩散显著受限，导致热量高度集中，峰值结温反而可能上升。因此，GaN 厚度的设计并非单一的“减薄策略”，而是需要在纵向传热效率与横向热扩散能力之间进行系统权衡。通常这个厚度在1-3μm左右，具体取决于功率密度和栅极布局。
过渡层的存在，工程可靠性的选择
在 GaN-on-Diamond 结构中，3C-SiC、AlN 等过渡层常被视为引入额外热阻的“非
理想结构”。但在真实器件制造与长期运行条件下，过渡层的工程价值不容忽视。
从纯热学角度看，任何额外层都会增加热阻；但从器件可靠性角度看，GaN 与金刚石之间的热膨胀系数失配如果不加以缓冲，将直接引入裂纹、剥离和应力失效风险。以 3C-SiC 为代表的过渡层，虽然带来一定界面热阻，但在可控范围内，其换取的是结构稳定性、工艺窗口和良率的显著提升。这种“略牺牲热性能、换取系统可靠性”的选择，正是工程设计而非实验室极限的核心逻辑。
过渡层不是“无奈妥协”，而是可靠性必需品
GaN和金刚石的热膨胀系数差异巨大（GaN ~5.6×10⁻⁶/K，金刚石 ~1×10⁻⁶/K）。如果直接把GaN长在金刚石上，高温工艺或工作时巨大的应力会直接导致裂纹、剥离，甚至整个结构失效。
因此必须引入过渡层（如3C-SiC、AlN或SiN等），来缓冲应力和提供晶格匹配。虽然这些过渡层热导率远低于金刚石，会增加一定热阻，但它们换来的是结构稳定性、工艺可控性以及器件长期可靠性。
这正是工程思维的核心：宁可牺牲10-20%的热性能，也要确保器件能稳定工作10年以上。实验室可以追求极限参数，产业界必须追求综合最优。
上面两图展示了过渡层和界面的微观细节：各种散射机制（如声子散射、粗糙度、缺陷）都会影响界面热导，但合理设计的过渡层能在可接受的热阻下大幅提升可靠性。
界面热阻必须在“真实器件条件”下评估。
理想结构与完整制程后的器件，在界面状态上往往存在显著差异。应力历史、键合工艺、金属化流程都会改变界面热输运行为。因此，基于真实器件结构获取热参数，并将其用于三维热仿真，是 GaN-on-Diamond 设计走向成熟的关键一步。
从更宏观的角度看，GaN-on-Diamond 的工程化并不是一场“材料竞赛”，而是一道系统级优化问题。它涉及外延结构、过渡层设计、界面工程、器件版图乃至封装与载板协同。未来真正具备产业价值的方案，很可能并非热阻最低的那一个，而是在性能、可靠性、成本和可制造性之间取得最优平衡的结构组合。
