三菱电机推进GaN-on-Diamond技术，键合率达95%

氮化镓（GaN）由于具有高击穿电场（约3.0 MV/cm）和高电子饱和漂移速度（约2.9×10⁷ cm/s），已成为高功率、高频电子器件的重要材料。基于GaN的HEMT器件目前广泛应用于卫星通信、移动通信以及射频功率放大器等领域。

然而，在高功率运行条件下，GaN HEMT器件内部会产生显著的自热效应。过高的温度不仅限制器件输出功率密度，还会降低器件可靠性并缩短使用寿命。因此，如何高效散热，成为进一步提升GaN器件性能的关键问题。

近日，日本三菱电机（Mitsubishi Electric Corporation）、熊本大学（Kumamoto University） 以及 日本产业技术综合研究所（AIST） 等研究团队在氮化镓器件散热技术方面取得重要进展。研究人员成功制备出 30 mm × 30 mm的大面积GaN-on-diamond高电子迁移率晶体管（GoD-HEMT），为高功率射频器件的散热问题提供了新的解决方案。相关成果以 “Fabrication of a GaN-on-diamond HEMT device using 30-mm-square mosaic-diamond substrate” 为题发表在期刊 《Scripta Materialia》。

三种GaN-on-diamond技术路径

目前，实现GaN-on-diamond结构主要有三种技术路线：

1）在金刚石衬底上外延生长GaN薄膜；
2）在GaN器件表面沉积金刚石层；
3）将GaN与金刚石衬底进行直接键合。

其中，第一种方法受到晶格失配限制，难以获得高质量GaN薄膜；第二种方法则可能因高温沉积过程对器件造成损伤。相比之下，GaN与金刚石的直接键合技术具有明显优势，可在保持HEMT器件结构不变的情况下直接提升散热能力。

从10 mm到30 mm：大面积器件制造

在此前研究中，团队已成功实现 10 mm尺寸的单晶金刚石GaN器件键合。但要实现产业化应用，还必须解决大面积加工的问题。

本研究中，研究人员将器件尺寸扩大至 30 mm × 30 mm，并采用马赛克金刚石衬底（mosaic-diamond substrate）。这种衬底由多个金刚石晶粒拼接而成，可在保证材料性能的同时实现更大尺寸，从而降低制造成本并提升工艺兼容性。

为了实现高质量键合，GaN和金刚石表面必须具有极高的平整度。研究团队采用 172 nm真空紫外（VUV）辅助抛光技术对马赛克金刚石衬底进行处理，并结合化学机械抛光（CMP）对GaN表面进行精密加工。

实验结果显示，抛光后金刚石衬底的表面粗糙度从 152 nm降低至0.12 nm，而GaN表面粗糙度也降低至约 0.21 nm。两种材料的表面粗糙度均小于 0.4 nm，满足低温直接键合所需条件。

在器件制备过程中，研究团队采用 表面活化键合（SAB）技术，并引入约 5 nm厚的硅层作为中间层。在真空环境中，通过氩离子束对表面进行活化处理后，在室温条件下施加压力实现GaN与金刚石的直接键合。

最终成功制备出 30 mm × 30 mm的GaN-on-diamond HEMT芯片，整体键合面积比例达到 95%，仅在局部区域存在未键合区域，表明大面积异质集成已基本实现。

这一成果为 GaN器件与金刚石散热材料的大面积异质集成提供了重要技术路径。未来随着制造技术进一步成熟，GaN-on-diamond器件有望在高功率射频、卫星通信以及下一代通信系统中获得更广泛应用。

三菱电机在金刚石领域的主要布局集中在GaN-on-Diamond（金刚石基氮化镓）技术上，重点解决高功率射频和功率器件（如HEMT）的热管理问题。公司与AIST合作开发了表面激活键合（SAB）等室温直接键合工艺，实现了多单元GaN-HEMT与单晶金刚石衬底的无缝集成，大幅提升散热效率、输出功率和功率附加效率（PAE）。该技术从2017年起布局专利，覆盖外延转移、键合和器件制造全链条，目标应用于5G/6G基站、卫星通信和雷达等高功率场景。

图1. 展示GoD-HEMT器件制造流程的流程图。

图2. 30毫米见方的氮化镓/金刚石HEMT器件图像。（a）器件照片。（b）-（c）截面透射电子显微镜图像；（d）氮化镓与金刚石键合界面的能谱线轮廓（C、N、Si、Ga）；（e）-（f）电子能量损失谱轮廓（Si、C）。