键合率达95%！三菱电机推进 GaN-on-Diamond 新技术

氮化镓（GaN）凭借其3.0 MV/cm的高击穿电场及2.9×10⁷ cm/s的高电子饱和漂移速度，已成为高功率、高频电子器件领域的核心材料。基于GaN的高电子迁移率晶体管（HEMT）目前已广泛应用于卫星通信、移动通信、射频功率放大器等关键领域，为高端电子设备的性能提升提供了重要支撑。

 

然而，高功率运行场景下，GaN HEMT器件内部会产生显著的自热效应，过高的工作温度不仅会限制器件的输出功率密度，还会严重降低其可靠性、缩短使用寿命，因此，高效散热技术已成为突破GaN器件性能瓶颈的关键所在。

 

 

近日，日本三菱电机（Mitsubishi Electric Corporation）、熊本大学（Kumamoto University）及日本产业技术综合研究所（AIST）组成的联合研究团队，在GaN器件散热技术领域取得重大突破。该团队成功制备出30 mm × 30 mm的大面积GaN-on-diamond HEMT（GoD-HEMT）器件，为高功率射频器件的散热难题提供了全新解决方案。相关研究成果以“Fabrication of a GaN-on-diamond HEMT device using 30-mm-square mosaic-diamond substrate”为题，发表于《Scripta Materialia》期刊。

 

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三种技术路径对比：直接键合成最优选择

目前，实现GaN-on-diamond（金刚石基氮化镓）结构主要有三种技术路线，各有优劣：其一，在金刚石衬底上外延生长GaN薄膜，但受限于晶格失配问题，难以获得高质量的GaN薄膜；其二，在GaN器件表面沉积金刚石层，高温沉积过程可能对器件本身造成损伤；其三，将GaN与金刚石衬底进行直接键合。相比前两种技术，GaN与金刚石的直接键合技术优势显著，可在不改变HEMT器件原有结构的前提下，直接提升器件的散热能力，更契合实际应用需求。

 

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从10 mm到30 mm：突破大面积制造瓶颈，迈向产业化

 

在前期研究中，该联合团队已成功实现10 mm尺寸单晶金刚石GaN器件的键合，但要推动该技术走向产业化应用，必须攻克大面积加工的核心难题。本次研究中，团队将器件尺寸大幅拓展至30 mm × 30 mm，关键在于采用了马赛克金刚石衬底（mosaic-diamond substrate）——这种衬底由多个金刚石晶粒拼接而成，既能保证材料本身的优异性能，又能实现更大尺寸的制备，同时有效降低制造成本、提升工艺兼容性，为大面积器件量产奠定基础。

 

高质量键合的前提是GaN与金刚石表面的极高平整度。为此，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，同时结合化学机械抛光（CMP）工艺，对GaN表面进行精密加工。实验结果表明，抛光后金刚石衬底的表面粗糙度从152 nm降至0.12 nm，GaN表面粗糙度也降至约0.21 nm，两者均低于0.4 nm，完全满足低温直接键合的严苛要求。
 

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。在真空环境下，通过氩离子束对两种材料表面进行活化处理后，在室温条件下施加压力，成功实现GaN与金刚石的直接键合。最终制备出的30 mm × 30 mm GaN-on-diamond HEMT芯片，整体键合面积比例达到95%，仅局部存在少量未键合区域，标志着大面积异质集成已基本实现。

 

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技术布局与未来展望

 

三菱电机在金刚石领域的布局重点聚焦于GaN-on-Diamond技术，核心目标是解决高功率射频器件及功率器件（如HEMT）的热管理难题。该公司与AIST深度合作，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，大幅提升了器件的散热效率、输出功率及功率附加效率（PAE）。

 

自2017年起，三菱电机已开始布局该领域专利，覆盖外延转移、键合工艺、器件制造全链条，目标将该技术应用于5G/6G基站、卫星通信、雷达等高端高功率场景。此次30 mm × 30 mm大面积GoD-HEMT器件的成功制备，为GaN器件与金刚石散热材料的大面积异质集成提供了关键技术路径。未来，随着制造技术的进一步成熟，GaN-on-diamond器件有望在高功率射频、下一代通信系统等领域实现更广泛的应用，推动相关产业的技术升级。

 

图文导读

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）。