日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）與三菱電機、日本產業技術綜合研究所合作，透過讓高導熱率單晶金剛石直接鍵合形成熱放射基底層，全球首次開發出了擁有高輸出功率和高效率的多單元氮化鎵高電子移動性電晶體（GaN-HEMT）。使用此次開發的GaN-HEMT，能提高高頻功率放大器的輸出密度和功效，有助於降低行動通信基地台和衛星通信系統等的功耗。
圖1：新開發的GaN-HEMT（上：單元結構，下：器件的上表面）
圖2：新開發的GaN-HEMT的截面
此次的成果
（1）全球首次將多單元構造的GaN-HEMT直接鍵合到了單晶金剛石基底層上
關於採用金剛石作爲熱放射基底層的GaN-HEMT，目前的主流製作方法是在薄膜化的GaN上形成金剛石膜，然後製作晶圓，再在上面製作電晶體。但由於GaN的熱膨脹係數與金剛石不同，製造程序中晶圓會發生較爲嚴重的翹曲，難以製作大尺寸的多單元GaN-HEMT。此次，研究小組從硅基底層多單元結構的GaN-HEMT中去除硅基底層，並對GaN-HEMT的背面進行拋光，使其變薄而平坦，然後經由奈米表面改質層，利用直接鍵合法使其與金剛石基底層鍵合。此次製造出了並聯接法8個電晶體單元的多單元結構，利用熱放射性較高的單晶金剛石作爲熱放射基底層製作多單元結構的GaN-HEMT尚屬全球首次。
（2）GaN-HEMT的輸出密度和功效提高，有助於降低功耗
GaN-HEMT内產生的局部發熱密度達到100MW/m2，因此，要想抑制高溫造成的性能和可靠性降低，透過GaN-HEMT熱放射至關重要。所以，作爲GaN-HEMT的基底層，研究小組開發了採用自然界導熱率最高的金剛石的結構，取代了以往的SiC（碳化硅）基底層（導熱率爲370～490W/m·K）和硅基底層（導熱率約爲150W/m·K）。此次利用單晶金剛石（導熱率約爲1900W/m·K）作爲基底層，成功提高了熱放射性能，抑制了GaN-HEMT溫度升高造成的性能和可靠性的下降。由此，與採用硅基底層作爲熱放射材料時相比，可以將GaN-HEMT的最高溫度由211.1℃降至35.7℃，每個電晶體的輸出功率由2.8W/mm增至3.1W/mm，功效由55.6％提高至65.2％。這些都將爲行動通信基地台和衛星通信系統的低功耗化做出巨大貢獻。
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
