據(jù)麥姆斯咨詢報道，三菱電機（Mitsubishi Electric）宣布與美國國家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所（AIST）MEMS和微工程研究中心（UMEMSME）合作，開發(fā)出了一種直接鍵合在高導(dǎo)熱性單晶金剛石襯底上的多單元結(jié)構(gòu)（多個晶體管單元并聯(lián)排列）氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN-HEMT）。

三菱電機表示，這是世界上首次實現(xiàn)多單元GaN-HEMT直接鍵合到單晶金剛石襯底上。該研究成果已于9月2日~5日在日本名古屋大學(xué)（Nagoya University）舉行的固態(tài)器件和材料國際會議（SSDM）上發(fā)布。

這種新型金剛石基GaN HEMT旨在提高移動通信基站和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中高功率放大器的功率附加效率，從而幫助降低功耗。三菱電機表示，該產(chǎn)品將在2025年商業(yè)化之前進(jìn)一步完善。在此次合作中，三菱電機負(fù)責(zé)GaN-on-Diamond HEMT的設(shè)計、制造、評估和分析，AIST開發(fā)了直接鍵合技術(shù)。

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（1）全球首款金剛石襯底直接鍵合的多單元結(jié)構(gòu)GaN-HEMT

為了得到有效熱導(dǎo)率更高的金剛石基GaN HEMT器件，目前主要采用三種方式實現(xiàn)金剛石襯底與GaN外延材料的結(jié)合。

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第一種是在金剛石襯底上直接外延生長GaN結(jié)構(gòu)。這種方法生長難度大，不管是在多晶金剛石（PCD）還是單晶金剛石（SCD）上都會存在AlGaN/GaN層電學(xué)性能差的問題，因此需要在外延生長和最后的冷卻過程中實現(xiàn)更為精細(xì)的界面控制和應(yīng)力管理。

第二種是在GaN HEMT結(jié)構(gòu)上生長金剛石。這種方法可獲得較大尺寸(4英寸)金剛石襯底晶圓，有助于降低成本。然而，為了在GaN層上生長金剛石材料，一般采用高于600℃的CVD技術(shù)在SiN等籽晶層上生長，這種方法可能導(dǎo)致影響金剛石材料質(zhì)量的成核層和熱應(yīng)力的出現(xiàn)。

第三種是基于轉(zhuǎn)移技術(shù)的GaN/金剛石鍵合方法。這種鍵合方法更為靈活，作為一種并行工藝，GaN外延層和金剛石襯底可以在鍵合前同時制備，因此對于大功率GaN器件來說越來越具有吸引力。由于該技術(shù)早期的鍵合實驗一般在800℃高溫下進(jìn)行，極大限制了生長區(qū)域，且需要引入低熱導(dǎo)率的界面鍵合材料，從而導(dǎo)致器件性能優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。

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在這項研究中，三菱電機將硅襯底上制造的多單元GaN-HEMT去除硅襯底,然后對GaN-HEMT背面進(jìn)行拋光，使其更薄更平滑，之后使用納米粘附層將其直接鍵合到金剛石襯底上。其多單元結(jié)構(gòu)用于實際產(chǎn)品中八個晶體管單元的并聯(lián)對準(zhǔn)。最終，利用單晶金剛石高散熱襯底制得了世界上第一個多單元GaN-on-Diamond HEMT。

（2）相比硅襯底上具有相同結(jié)構(gòu)的GaN-HEMT，改善了輸出和功率效率，以擴展無線電波范圍，并且更節(jié)能

采用單晶金剛石（熱導(dǎo)率為1900 W/mK）襯底以獲得卓越的散熱性能可降低熱阻值，從而將GaN-HEMT的溫升從211.1℃降低至35.7℃。這可使每柵極寬度的輸出從2.8 W/mm提高到3.1 W/mm，并將功率效率從55.6%提高到65.2%，從而實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

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該技術(shù)在日本已獲得2件專利授權(quán)，還有9件專利在審查中，而在日本以外的國家和地區(qū)還申請了10件專利。