斯坦福&卡内基梅隆大学发布新成果：金刚石+AlN双向散热攻克GaN散热难题

近年来，随着毫米波通信、雷达系统等高频高功率应用快速发展，氮化镓（GaN）射频器件正不断向更高功率密度方向演进。在传统AlGaN/GaN HEMT基础上，多沟道超晶格结构（Super-Lattice）器件因能够显著提升电流密度，被认为是下一代超高功率射频器件的重要方向。

其中，超晶格城垛式场效应晶体管（SLCFET）凭借独特的多沟道“鳍状”结构和环绕栅设计，已经实现94 GHz下10.9 W/mm的高功率密度表现。不过，随着器件功率持续提升，自热效应和散热瓶颈也逐渐成为限制性能进一步突破的关键问题。

近期，来自卡内基梅隆大学、斯坦福大学、布里斯托大学等机构的研究团队，研究围绕GaN SLCFET器件的热管理展开，通过引入高热导氮化铝（AlN）缓冲层以及顶部多晶金刚石（PCD）覆盖层，显著降低了器件热阻，为超高功率GaN射频器件提供了新的散热方案。相关成果以“Enhanced Thermal Management in GaN Superlattice Castellated Field Effect Transistors”为题，发表在《IEEE Electron Device Letters》。

研究指出，此前SLCFET结构中的AlGaN缓冲层热导率较低，容易因合金声子散射形成热传输瓶颈。而AlN材料本身具有高于GaN的热导率，因此研究团队尝试利用AlN替代传统AlGaN缓冲层，并进一步结合顶部金刚石导热层，实现器件双向散热。

研究中，团队设计并比较了三种器件结构：其一为采用传统AlGaN缓冲层的参考器件；其二为采用2.2 μm厚AlN缓冲层的新结构；其三则在AlN缓冲层基础上，再增加1.5 μm厚的多晶金刚石覆盖层。三种器件在版图和沟道结构上保持一致，从而能够直接比较不同热管理方案带来的差异。

为了准确评估热输运能力，研究人员结合时域热反射（TTR）、频域热反射（FDTR）、拉曼纳米温度测量以及三维有限元热仿真，对器件内部热特性进行了系统分析。测试结果显示，2.2 μm厚AlN缓冲层的热导率达到约223 W/m·K，而传统AlGaN缓冲层仅约38 W/m·K，提升约5至6倍。研究认为，该数值已接近对应厚度AlN薄膜的理论极限，表明材料晶体质量较高。

进一步的热仿真和拉曼测温结果表明，仅将缓冲层替换为AlN，器件热阻便下降了约1.66倍；若再结合顶部多晶金刚石覆盖层，则整体热阻可从29 mm·℃/W降低至11.9 mm·℃/W，实现2.44倍热阻下降。由于器件允许功率密度通常受最大沟道温升限制，因此这一热阻改善意味着器件理论上可获得约2.44倍的功率密度提升能力。

论文还分析了AlN厚度与热性能之间的关系。结果显示，在研究范围内，随着AlN厚度增加，器件热阻持续下降，但当热导率逐渐接近体材料极限后，继续增厚带来的收益会减弱。此外，虽然顶部多晶金刚石层热导率低于AlN，但其能够提供额外的横向热扩散路径，因此与AlN缓冲层形成互补，共同改善器件散热能力。

总体来看，这项工作并未仅停留在单一材料热导率提升层面，而是通过“高热导缓冲层+顶部金刚石散热层”的协同设计，构建了一套更完整的GaN器件热管理方案。研究表明，在下一代毫米波通信、高功率雷达以及先进射频系统中，热管理将不再只是辅助优化环节，而可能成为决定器件功率上限的重要核心技术之一。