日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与三菱电机、日本产业技术综合研究所合作，通过让高导热率单晶金刚石直接键合形成散热基板，全球首次开发出了拥有高输出功率和高效率的多单元氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN-HEMT）。使用此次开发的GaN-HEMT，能提高高频功率放大器的输出密度和功效，有助于降低移动通信基站和卫星通信系统等的功耗。
图1：新开发的GaN-HEMT（上：单元结构，下：器件的上表面）
图2：新开发的GaN-HEMT的截面
此次的成果
（1）全球首次将多单元构造的GaN-HEMT直接键合到了单晶金刚石基板上
关于采用金刚石作为散热基板的GaN-HEMT，目前的主流制作方法是在薄膜化的GaN上形成金刚石膜，然后制作晶圆，再在上面制作晶体管。但由于GaN的热膨胀系数与金刚石不同，制造过程中晶圆会发生较为严重的翘曲，难以制作大尺寸的多单元GaN-HEMT。此次，研究小组从硅基板多单元结构的GaN-HEMT中去除硅基板，并对GaN-HEMT的背面进行抛光，使其变薄而平坦，然后经由纳米表面改性层，利用直接键合法使其与金刚石基板键合。此次制造出了并联8个晶体管单元的多单元结构，利用散热性较高的单晶金刚石作为散热基板制作多单元结构的GaN-HEMT尚属全球首次。
（2）GaN-HEMT的输出密度和功效提高，有助于降低功耗
GaN-HEMT内产生的局部发热密度达到100MW/m2，因此，要想抑制高温造成的性能和可靠性降低，通过GaN-HEMT散热至关重要。所以，作为GaN-HEMT的基板，研究小组开发了采用自然界导热率最高的金刚石的结构，取代了以往的SiC（碳化硅）基板（导热率为370～490W/m·K）和硅基板（导热率约为150W/m·K）。此次利用单晶金刚石（导热率约为1900W/m·K）作为基板，成功提高了散热性能，抑制了GaN-HEMT温度升高造成的性能和可靠性的下降。由此，与采用硅基板作为散热材料时相比，可以将GaN-HEMT的最高温度由211.1℃降至35.7℃，每个晶体管的输出功率由2.8W/mm增至3.1W/mm，功效由55.6％提高至65.2％。这些都将为移动通信基站和卫星通信系统的低功耗化做出巨大贡献。
文：JST客观日本编辑部翻译整理
