氮化镓（GaN）是当下火热主题。但更热的是将GaN与其它材料集成以提高其性能的竞赛。
由美国乔治亚理工学院机械工程学院的一个研究小组报告了一系列利用室温表面活化键合（SAB）将GaN与不同层厚的单晶金刚石结合的一系列结果。新开发的技术使GaN在大功率下的性能最大化。
将GaN与其它材料集成在一起在技术上具有挑战性。金刚石和氮化镓的界面导热性差，界面应力低，很难粘结。新模式使GaN器件能够充分利用单晶金刚石的高热导率，从而在大功率解决方案中实现良好的冷却。因为它是在环境温度下进行操作的，所以该过程不会导致其它标准工艺中由于使用材料的热膨胀系数不同而导致的物理应力问题。
硅在电力电子方面已达到理论极限。基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）器件具有优越的电气特性，是高压和高开关频率电机控制应用中MOSFET和IGBT的有效替代品。
GaN是一种宽带隙材料。因此，它的禁带（相当于电子从价带到导带所需的能量）比硅宽得多：GaN的禁带为3.4电子伏，而硅为1.12电子伏。由于这种高能量需求，GaN阻挡一定电压所需的材料厚度比硅薄10倍，使得器件尺寸更加紧凑。GaN-HEMT的电子迁移率越高，开关速度越快，因为通常积聚在界面中的电荷可以更快地分散。GaN的上升时间更快，漏源导通电阻（RDS（on））值较低，栅极电容和输出电容减小，这都有助于它的开关损耗降低，并能在比硅高10倍的开关频率下工作。减少功率损耗带来了额外的好处，如更有效的功率分配、更少的热量产生和更简单的冷却系统。
GaN的性能和可靠性与温度和沟道上的焦耳加热效应有关。集成在GaN中的碳化硅（SiC）和金刚石等衬底可以改善热管理，从而降低器件的工作温度。对于GaN-on-SiC器件，沟道温度降低25°将使器件寿命增加约10倍。由于这些性能特性，GaN器件已被应用于光电子、射频和汽车等领域。GaN-on-Diamond器件的目标市场包括国防雷达和卫星通信，以及5G基站等新兴市场。
金刚石的热导率比硅大14倍，电场电阻比硅大30倍，高的热导率有利热量的传播。金刚石的带隙为5.47ev，击穿场为10MV/cm，电子迁移率为2200cm2/Vs，热导率约为21w/cmK。
佐治亚理工大学的研究人员与梅西大学和早稻田大学的研究人员就新工艺进行了合作。他们的技术允许将高导热材料放置在更靠近氮化镓有源器件的区域，从而最大限度地提高GaN的大功率运行性能。
图1. GaN-on-Diamond应用概述（图片来源：Yole Dédevelopement）
“GaN-on-Diamond在器件和系统层面提供了高导热性、高电阻率和小尺寸等关键特性，”Yole Dédevelopement的技术和市场分析师Ezgi Dogmus说（图1）：“这些优点使GaN-on-Diamond功率放大器器件对高功率射频应用非常有吸引力，例如商业基站和军用雷达应用，以及卫星通信和气象雷达。”
Dogmus补充道，GaN-on-Diamond已经开发了十多年，并且“预计在未来几年将由主要的工业参与者，如RFHIC、Akash Systems和三菱电机（Mitsubishi Electric）”进行商业化开发。
GaN和金刚石的特性
GaN基HEMTs的最大输出功率受限于沟道衬底的高温，其降低了系统的性能和可靠性。金刚石是目前热导率最高的材料，它与GaN的结合有助于消散通道附近产生的热量。
“在HEMT器件（运行）过程中，栅极附近的大电压降会导致局部焦耳加热，”这篇论文的第一作者、伊利诺伊大学香槟分校博士后程哲（Zhe Cheng）说：“加热区位于数十纳米范围内，这就导致了超高的局部热通量。GaN基HEMTs的局部热通量比太阳表面的热通量大10倍以上。”
适当的热扩散技术，如将金刚石尽可能靠近热点，可以有效降低通道温度，目前使用的技术包括通过化学气相沉积（CVD）在GaN上以电介质作为保护层直接生长金刚石，因为金刚石生长过程中的等离子体子会损坏GaN。材料热阻和界面在热流管理中起着至关重要的作用，特别是对于开关电源等高频应用。在现有技术下，CVD金刚石的生长温度超过700℃。当器件冷却到室温时，在没有适当的热管理策略的情况下，界面处的应力会使晶圆开裂。此外，粘附层增加了GaN金刚石界面的热阻，抵消了金刚石衬底的高导热性带来的好处。
来自佐治亚理工大学、美西大学和早稻田大学的研究小组采用两种改良的SAB技术在室温下将GaN与具有不同夹层的金刚石衬底结合。首先，用氩离子束清洗并激活两个要粘结的表面，在表面产生悬空键。然后在室温下将两个表面压在一起。悬空键会在界面处形成共价键。在界面处加入一些硅原子以增强界面结合。这次合作是在梅西大学和早稻田大学完成的（作者是穆凤文和杉田忠文）。然后用乔治亚理工学院的时域热反射（TDTR）测量粘结界面。乔治亚理工学院也进行了相关的热模拟，以评估键合界面对GaN器件的影响。”
TDTR用于测量热性能。材料表征可以通过高分辨率扫描透射电子显微镜（HR-STEM）和电子能量损失谱（EELS）来完成。时域热反射是一种利用超快飞秒激光进行的泵浦-探测技术，它测量了GaN-金刚石界面的热边界电导。这项技术使用1到12兆赫之间调制的超快激光来控制热穿透深度。与泵脉冲相比，探针脉冲延迟在0.1到7纳秒之间，以允许在延迟期间测量相对表面温度的衰减。锁定放大器允许提取由光电探测器拾取的读取信号。温度变化通过薄金属传感器（50至100 nm）的反射率变化来测量。该系统能够测量0.1～1000W/mK的热导率和2～500m2K/G的热边界电阻。测量中采用钛蓝宝石飞秒激光器。
制造和测试细节
在佐治亚理工大学及其合作伙伴的研究中，GaN通过在界面上添加硅原子的方式与金刚石结合，以增强界面的化学粘附性并降低热接触热导。热边界热导（TBC）是固体-固体界面之间的热传导。相关的系数是一个属性，表示在界面上传导热量的能力。
研究小组使用了两个样本。第一个样本是在商用单晶金刚石衬底（CVD生长）上沉积一层厚度约为10nm的GaN薄膜（约700nm）。第二个样本在用高压高温（HPHT）法生长的商业单晶金刚石衬底上结合了厚度约1.88μm的GaN。对GaN进行抛光，使其足够薄，以便进行TDTR测量（图2-3）。
研究小组测量了单晶金刚石衬底在GaN自由区的热导率，然后在有GaN层的区域进行TDTR测量，以测量GaN金刚石结构的TBC。
“当测量GaN层以上时，所测得的金刚石基底的热导率被用作一个已知参数，用于调整TDTR数据以提取TBC，”Cheng说：“总的来说，有三个未知参数：Al-GaN TBC、GaN热导率和GaN-DiamondTBC。”
图2.（a）金刚石和粘结GaN金刚石样品的TDTR测量。（b）三个未知参数的TDTR灵敏度。（c）室温下调制频率为2.2MHz的样本2的TDTR数据拟合。（图片来源：科学文章）
图3.（a-b）样本1的GaN金刚石界面横截面图像。（c-d）样本2的GaN金刚石界面的横截面图像。（图片来源：科学文章）
GaN金刚石界面的TBC测量值是科学文献中报道的高值之一，并且受中间层厚度的影响。由于GaN与金刚石界面的无序和缺陷，传统上GaN与金刚石之间的温度依赖性很弱。新模型显示了一个相对较大的GaN-on-DiamondTBC（>50MW/m2K）。这可以使单晶金刚石的高导热系数得到充分利用。
本文来源：星辰工业电子简讯
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