近十年來，氮化鎵（GaN）的研究熱潮席卷了全球的電子工業(yè)。這種村料屬于寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質結構等優(yōu)異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，是近２０余年以來研制微波功率器件最理想的半導體材料。隨著外延材料晶體質量的不斷提高和器件工藝的不斷改進，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和電路，工作頻率越來越高，輸出功率越來越大。

隨著基于氮化鎵（GaN）材料的微波功率器件向更小尺寸、更大輸出功率和更高頻率的方向發(fā)展，“熱”的問題越來越突出，逐漸成為制約這種器件向更高性能提升的最重要問題之一。采用高熱導率金剛石作為高頻、大功率氮化鎵（GaN）基器件的襯底或熱沉，可以降低氮化鎵（GaN）基大功率器件的自加熱效應，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現的功率密度迅速下降的問題，因此，成為近幾年的一個國際研究熱點。

硅、碳化硅（SiC）、金剛石基GaN對比

金剛石基氮化鎵（GaN）技術

金剛石在目前所知的天然物質中具有最高的熱導率，室溫下的導熱系數高達2000Wm-1K-1，是碳化硅導熱系數的四到五倍。作為襯底材料，金剛石可以以數百納米的尺寸沉積在GaN信道內，使晶體管設備在工作時能夠有效散熱。在高頻、大功率GaN 基高電子遷移率晶體管（HEMT）和電路的散熱方面極有應用潛力。

Felix Ejeckam于2003年發(fā)明了金剛石上的GaN，以有效地從GaN晶體管中最熱的位置提取熱量。其基本理念是利用較冷的GaN放大器使系統(tǒng)更節(jié)能，減少浪費。金剛石上的GaN晶片是通過GaN通道或外延將其從原始的Si襯底中剝離下來，而后通過一個35 nm的SiN界面層結合在CVD合成的金剛石襯底上。這種200°C的GaN通道與CVD形成納米級的金剛石是接近最導熱工業(yè)材料,它會大大降低放大器的基板和通道之間的溫度上升。圖1顯示了金剛石晶圓片上GaN的制作過程。多年來，許多課題組已經量化了上述的熱改善。先將Si基GaN HEMT晶圓片黏貼到一個臨時Si載片上，待原始的硅基板被蝕刻掉，然后利用CVD方法在GaN層下方的35 nm的界面層上沉積金剛石。最后，臨時的Si載體被蝕刻，最終的金剛石上的GaN晶圓被加工為HEMTs或MMICs。

圖1 金剛石晶圓片上GaN的制作過程

技術系統(tǒng)影響

與SiC基GaN相比，如果GaN MMIC產生的熱量可以降低40%到50%，那么就可以將更大的功率密度壓縮到更小的體積空間中。功率是下行數據速率計算的直接參數，功率越高，傳送的信息越多。在非常緊湊的空間中，使用金剛石上GaN可以降低對于冷卻系統(tǒng)的要求。因為與使用標準的SiC基GaN功率放大器相比，金剛石上GaN的使用可以允許環(huán)境溫度升高得更高，同時不會降低性能與可靠性。冷卻裝置的減少也意味著重量和尺寸的減少。

金剛石基氮化鎵發(fā)明人成立Akash系統(tǒng)公司

2003年，還在Group4 Lab供職的Ejeckam，通過將在硅上生長的GaN外延層轉移至合成化學汽相淀積的金剛石襯底上，發(fā)明了金剛石基氮化鎵。Group4Lab的資產在2013年被戴比爾斯集團成員企業(yè)之一的ElemenSix技術公司收購。Felix Ejeckam和TyMitchell于2016年聯合成立了位于美國加州舊金山的Akash系統(tǒng)公司，并與韓國RFHIC公司達成一致，共同協商買回了金剛石基氮化鎵專利。

金剛石基GaN應用： 衛(wèi)星通信功率放大器

目前而言最先進的商業(yè)衛(wèi)星以100-200Mbps的速度傳輸于地球，而對于一些先進的大型單一衛(wèi)星概念目標為1至4Gbps。這些速率數據很大程度受限于制作信號傳輸器的射頻功率放大器。Akash首次建造了一個小型衛(wèi)星系統(tǒng)（12U），它將初步實現14Gbps的下行數據速率。接下來的demo數據速率將超過100Gbps，而最終目標定為一個普通的衛(wèi)星的下行速率達到1Tbps。為達到最終目標，他們將使用金剛石上的GaN射頻功率放大器。

Akash的設計師最近展示了高性能的金剛石基GaN晶體管（簡化的功率放大器）。在k波段20GHZ頻率下表現出60%的功率附加效率(PAE) (參見圖2)。最近由美國國防部高級研究計劃局資助，來自佐治亞理工學院、斯坦福大學、加州大學洛杉磯分校和第六元素的一組研究員共同研究GaN器件的溫升發(fā)現：從GaN通道到襯底底部的溫度是變化的，與相同的SiC基GaN器件相比溫度降低80℃。這項研究所用的晶圓等同于Akash Systems用的金剛石上GaN。

圖2：使用增益為7.9 dB 的2.9 W (5.6 W/mm)HEMT的示例設備得到的PAE為61%，偏置點為24 V

圖3顯示了不同類型的金剛石上GaN晶圓的10 finger HEMT從中心到邊緣的通道的溫度分布。Akash Systems采用“有低熱邊界阻抗(TBR)的梯度金剛石”制作金剛石上GaN (綠色)；這條曲線呈現152°C峰值溫度(第一個峰值)。SiC基GaN在器件上同一點的溫度是232℃。

圖3：顯示了不同類型的金剛石上GaN的10finger HEMT晶圓片的通道中心到邊緣的溫度分布

Akash Systems計劃在2019年發(fā)射一個24公斤12U(36cm x24cm x23cm )的衛(wèi)星系統(tǒng)進入LEO軌道，它將包含一個以金剛石基GaN功率放大器為基礎的20瓦的信號傳送器。該系統(tǒng)將展現一個具有里程碑意義的14gbps數據速率，對于這樣尺寸的衛(wèi)星系統(tǒng)是獨一無二的。

金剛石基GaN的未來展望

將金剛石引入高頻、大功率GaN基微波功率器件和電路，解決器件的散熱問題，是近幾年的國際研究熱點。基于多晶金剛石的襯底轉移技術、基于單晶金剛石的材料直接外延技術和基于納米金剛石薄膜的器件表面覆膜技術，在解決高頻、大功率GaN基HEMT的散熱方面都具有非常重要的應用潛力。

下一代金剛石基GaN技術將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統(tǒng)，為5G和6G移動通信網絡和更復雜的雷達系統(tǒng)鋪平道路。