金剛石材料具有自然界物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率（高達(dá)2000 W/m·K），在大功率激光器、微波器件和集成電路等小型化高功率領(lǐng)域的散熱均有重要的應(yīng)用潛力。特別是面向高功率密度GaN HMET的散熱管理需求，金剛石材料被視為GaN HEMT功率器件熱擴(kuò)散材料的最佳選擇，有望改善其“自熱效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)高頻、高功率的應(yīng)用。金剛石-GaN材料制備、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件制備和熱電等特性測試已成為凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、表面/界面科學(xué)與半導(dǎo)體等領(lǐng)域的交叉研究熱點(diǎn)。

山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院徐現(xiàn)剛、彭燕、胡秀飛、葛磊等集合材料、器件團(tuán)隊(duì)優(yōu)勢，提出新型復(fù)合SiC-金剛石襯底與GaN器件結(jié)合的新工藝流程和制備方案，通過系列工作解決了異質(zhì)界面多晶成核的問題，實(shí)現(xiàn)了在4H-SiC襯底上直接生長多晶金剛石；構(gòu)建理模型獲得了SiC襯底減薄至最佳厚度的方案，制備出由200 μm 4H-SiC和200 μm金剛石組成的Diamond-SiC復(fù)合基板；兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技術(shù)，在金剛石-SiC復(fù)合襯底上制備高質(zhì)量的GaN外延薄膜，并制備出高性能器件。

與現(xiàn)階段的GaN-on-SiC工藝相比，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的GaN器件表面溫度和熱阻均有明顯降低。在Tb?=?25 ℃時(shí)，GaN-on-diamond/SiC器件在20 V時(shí)功耗增加了19 %，熱阻降低了41?%，表面溫度降低了33%。在Tb?=?70 ℃高溫下，功耗增加了11?%，熱阻降低了31?%，表面溫度降低了26%。

研究工作提出了利用SiC的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和金剛石的超強(qiáng)導(dǎo)熱性能，構(gòu)建GaN基器件的高效散熱襯底的新方案，并在材料生長及機(jī)理、理論模擬和器件性能提升做了深入研究，證實(shí)了金剛石/ SiC復(fù)合襯底在高溫下具有穩(wěn)定的輸出特性和可靠性，為解決GaN高功率密度下的自熱問題提供了新思路，為下一代大功率器件熱管理提供了新策略。

圖1.金剛石-SiC-GaN制備流程

圖2 Tb= 25 °C 時(shí)金剛石-SiC復(fù)合襯底和SiC襯底上的GaN器件的I-V曲線

圖3 Tb=25 °C時(shí)器件表面溫度與耗散功率的關(guān)系

圖相同耗散功率(Pdiss= 7.2 W mm-1)下，Tb= 25 °C時(shí)器件的熱像圖：(a) GaN-on-SiC；(b) GaN-on-diamond/SiC。

相關(guān)論文發(fā)表在Carbon雜志期刊上，山東大學(xué)博士研究生胡秀飛為文章的第一作者，彭燕、葛磊和徐現(xiàn)剛為通訊作者。

作者簡介

胡秀飛，2019年9月至今，在山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院攻讀工學(xué)博士學(xué)位，材料科學(xué)與工程專業(yè)，從事半導(dǎo)體材料及器件相關(guān)研究工作。主要從事碳化硅/金剛石材料制備及其應(yīng)用的研究，通過系列工作解決了異質(zhì)界面多晶成核的問題，完成新型復(fù)合SiC-金剛石材料材料生長和表征工作，兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技術(shù)，提出了與GaN器件結(jié)合的新工藝流程和制備方案，為解決GaN高功率密度下的自熱問題提供了新思路和新策略。

葛磊博士，2023年6月畢業(yè)于山東大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位。2023年6月至今，在山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院從事博士后研究工作。主要從事碳化硅/金剛石功率器件制備及其應(yīng)用的研究，制備的高性能紫外探測器領(lǐng)域的金剛石MOSFET及MESFET器件；開拓了新型路線探索金剛石高熱導(dǎo)率解決氮化鎵器件散熱問題。

彭燕研究員，博士生導(dǎo)師。2011年06月畢業(yè)于山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，獲理學(xué)博士學(xué)位。2017-2018年美國田納西大學(xué)訪學(xué)。入選2022年“仲英青年學(xué)者”獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃。重點(diǎn)研究SiC、金剛石材料及器件的制備、表征及應(yīng)用研究。承擔(dān)/參與重點(diǎn)研發(fā)、973、核高基及自然科學(xué)基金項(xiàng)目等10余項(xiàng)，發(fā)表SCI論文40余篇，申請/授權(quán)專利30余項(xiàng)。

徐現(xiàn)剛教授，凝聚態(tài)物理、半導(dǎo)體材料學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任山東大學(xué)新一代半導(dǎo)體材料研究院主任/晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。獲教育部長江計(jì)劃特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，泰山學(xué)者特聘專家等榮譽(yù)稱號。主要研究方向?qū)捊麕С瑢捊麕О雽?dǎo)體材料及器件，半導(dǎo)體激光器等，在國內(nèi)外發(fā)表論文400余篇，被引4000余次。授權(quán)發(fā)明專利100余項(xiàng)。其主要研發(fā)的SiC襯底材料、半導(dǎo)體激光器技術(shù)是產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的典范。

附：論文原文：http://www.casmita.com/file/upload/202401/04/093505831.pdf

審核編輯：劉清