氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借其 3.4 eV 的宽带隙、2000 cm²/Vs 的高电子迁移率以及低导通电阻（RDSon）等特性，成为 5G 毫米波通信、雷达系统和电力电子领域的核心器件。其异质结结构（如 AlGaN/GaN）可形成高浓度二维电子气（2DEG），支持超过 100 GHz 的开关频率，且无反向恢复电荷，显著降低信号失真。然而，GaN 材料本身热导率仅为 1.3 W/cm・K，远低于碳化硅（SiC）的 490 W/m・K，导致其在高功率密度下易因自热效应引发结温攀升。
传统 SiC 衬底虽能部分缓解散热问题，但其缓冲层 / 成核层的高热阻仍导致热量在有源区积聚。例如，在 2 英寸 SiC 衬底上，GaN HEMT 的结温在 10 W/mm 功耗下可达 231.6℃，显著加速器件老化。这一矛盾使得 GaN HEMT 的实际功率密度被限制在 5 W/mm 以下，难以满足下一代通信系统对更高效率和更小尺寸的需求。
金刚石作为地球上热导率最高的材料（2200 W/m・K），其导热能力是 SiC 的 4 倍、硅的 13 倍，成为突破散热瓶颈的理想选择。其原子级紧密排列的晶体结构赋予其卓越的热扩散能力，且化学稳定性和机械强度优异，可承受极端温度和辐射环境。例如，采用金刚石衬底的 GaN HEMT 在相同功耗下结温可降至 147.7℃，降幅达 36%，同时功率密度提升 40.12%。此外，金刚石的击穿场强（>10 MV/cm）和载流子饱和速度（2.7×10⁷ cm/s）使其在高频下仍能保持稳定性能，与 GaN 的高频特性形成互补。 然而，金刚石与 GaN 的晶格失配率高达 15.2%，热膨胀系数差异（GaN：5.5×10⁻⁶/℃ vs 金刚石：1.1×10⁻⁶/℃）导致传统外延生长工艺难以直接集成。这一挑战催生了键合转移、后处理沉积等创新技术，例如室温表面活化键合（SAB）通过原子级清洁实现无应力集成，确保晶圆平整度和器件成品率。
2.1 三维立体散热架构 2.2 后处理集成技术突破 2.3 产业化应用进展
化合积电（厦门）的研究团队通过后处理工艺将金刚石直接集成到 GaN HEMT 的有源区顶部和侧壁，形成 “自上而下 + 环绕式” 散热通道。这种设计避开了衬底缓冲层的高热阻，使热量通过金刚石层直接导出，同时三维包覆结构将热阻降低 21.4%，器件在 X 波段的功率附加效率提升 36.7%。实验数据显示，该技术使 GaN HEMT 的结温峰值较传统 SiC 衬底降低 83.9℃，且在 200℃高温下的退化速率仅为 Si 衬底器件的 1/5。
美国斯坦福大学与加州大学圣塔芭芭拉分校合作，在 150 纳米栅长的 N 极性 GaN MIS-HEMT 上首次实现低温（500℃）金刚石全包围集成。该技术通过钼栅极和 SiN_x 介质层的热稳定性设计，在保持 2DEG 通道特性的同时，将通道峰值温度降低 40%，并在 X 波段实现 0.96 A/mm 的饱和漏极电流。这一成果标志着器件级冷却方案从理论走向实践，为 6G 通信的超高频器件奠定基础。
Lockheed Martin 的 ICECool 技术将金刚石与 GaN HEMT 结合，使射频放大器体积缩小至传统方案的 1/3，功率提升 3 倍，已应用于电子战和高性能计算系统。三菱电机则通过金刚石衬底键合技术，开发出适用于卫星通信的多单元 GaN HEMT，其功率附加效率较 SiC 基器件提高 15%。据市场预测，2025 年金刚石热沉片市场规模将突破 4 亿美元，中国企业在 CVD（化学气相沉积）技术上的突破（如 2 英寸晶圆热导率达 2000 W/m・K）正加速这一进程。
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尽管技术突破显著，金刚石基 GaN 器件仍面临多重挑战：
未来，随着金刚石集成技术的成熟，其应用将从射频领域向电力电子、光电子等场景扩展。例如，弗劳恩霍夫研究中心已将纳米金刚石膜集成至电动汽车元件，使局部热负荷降低至 1/10，充电时间缩短 30%。这种 “材料 - 器件 - 系统” 的协同创新，正推动高温高频器件从实验室走向产业化，为 6G 通信、太赫兹雷达和航天电子等战略领域提供核心支撑。
化合积电专注于金刚石热管理材料解决方案，为广大客户提供全面的金刚石热管理材料，包括金刚石热沉片、金刚石晶圆衬底、金刚石光学窗口、金刚石复合材料等，欢迎进行详洽。
