30 May 2025

在 2 英寸多晶金刚石衬底上成功制造出GaN-HEMT有助于提高核心通信设备的容量并降低功耗

住友电气工业株式会社
大阪公立大学

住友电气工业株式会社（总公司：大阪市中央区，社长：井上治，以下简称 “住友电工”）和大阪公立大学（所在地：大阪府，校长：櫻木弘之，以下简称 “大阪公大”）在国立研究开发法人科学技术振兴机构（以下简称 “JST”）的共同研究项目*中，成功地在2英寸多晶金刚石（PCD）衬底上制造出了氮化镓晶体管（以下简称 “GaN-HEMT”）。这项技术是移动和卫星通信领域核心设备实现更大容量和更低功耗的重要一步。这项研究的结果已在第72届日本应用物理学会（3月14日至17日）上公布。

在直径为 2 英寸的多晶金刚石衬底上实现用于高频器件的 GaN-HEMT 结构

在Si、SiC和金刚石上制造的 GaN -HEMT 的散热比较（相同应用功率下，温度上升越小，散热效果越好）。

近年来，随着无线通信信息量的增加，人们需要更高频率和更高输出功率的器件，即GaN-HEMT。然而，工作期间的自热限制了器件的输出，导致通信性能和可靠性降低，例如信号无法传输。为了解决这些问题，大阪公大利用导热率极高的金刚石作为GaN-HEM的衬底，成功地改善了散热特性。
Si（硅）和SiC（碳化硅）通常用作 GaN-HEMT 的衬底，但金刚石的热导率比Si高出约12倍，比SiC高出4-6倍，因此可以将热阻分别降低1/4、1/2。

迄今为止，由于多晶金刚石的晶粒尺寸大、表面粗糙度差（5~6 nm），因此很难在没有焊料或粘合材料的情况下直接键合GaN层。但这次，通过将住友电工的金刚石衬底抛光技术（可将表面粗糙度降低到传统方法的一半）与大阪公大将GaN层从Si衬底转移到多晶金刚石的技术相结合，我们成功地将GaN层直接键合到了2 英寸多晶金刚石上。
这证明了GaN结构在多晶金刚石上的可行性及其散热特性的均匀性。本项目中使用的GaN层由 Air Water 公司提供，是Si衬底上的GaN/SiC外延层。

今后，我们将加快设备性能和键合状态调整等开发工作，并使用4英寸衬底进行批量生产。

■各机构的技术。
大阪公大
拥有可将在Si衬底上制造的 GaN/SiC 外延层转移到金刚石衬底上，以制造 GaN-HEMT 器件的技术。

住友电工
拥有制造和抛光大型多晶金刚石衬底的技术，这些衬底已被用于散热材料和工具产品，如热沉和键合工具。

*本研究得到了 JST 研究成果优化支持计划 A-STEP 产学合作 JPMJTR222B 的支持。