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通过顶部集成钻石增强多指GaN HEMT的散热性能
Enhanced Cooling of Multifinger GaN HEMTs via Topside Diamond Integration
| 作者 | Daniel C. Shoemaker · Kelly Woo · Yiwen Song · Mohamadali Malakoutian · Bill Zivasatienraj · Puneet Srivastava |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | GaN器件 工商业光伏 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 金刚石散热片 散热效果 热阻 5G功率放大器 |
语言:
中文摘要
氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）是当今 5G 功率放大器的关键组件。然而，器件过热问题使得商用器件不得不降额运行。本研究利用栅极电阻测温法，对一款 16 指 GaN/SiC HEMT 器件的顶部金刚石散热片的散热效果进行了研究。研究发现，在功率密度为 12 W/mm 时，厚度为 2 μm 的金刚石散热片可使栅极温度升高幅度降低约 20%。仿真结果表明，要使器件热阻（$R_{Th}$）降低 10%，金刚石厚度需大于 1.5 μm。对于厚度为 2 μm 的金刚石层，要实现热阻降低 10%，其热导率需大于 450 W/（m·K），且氮化硅（SiN）保护层厚度应小于 75 nm。仿真结果显示，与标准 GaN/SiC HEMT 相比，采用顶部金刚石散热片并将碳化硅（SiC）衬底替换为金刚石，可使器件热阻降低 42.2%。
English Abstract
Gallium nitride high electron mobility transistors (HEMTs) are key components for today’s 5G power amplifiers. However, device overheating requires commercial devices to operate under derated power levels. This work reports the cooling effectiveness of a top-side diamond heat spreader for a 16-finger GaN/SiC HEMT using gate resistance thermometry. A 2~ m thick diamond heat spreader was found to reduce the gate temperature rise by ~20% at 12 W/mm. Simulation results indicate that a diamond thickness greater than 1.5~ m is required to achieve a 10% reduction in the device thermal resistance ( R_ {Th} ). To achieve a 10% reduction in the R_ {Th} , the thermal conductivity of a 2~ m thick diamond layer needs to be greater than 450 W/m K and the SiN protection layer should be thinner than 75 nm. The incorporation of topside diamond combined with replacing the SiC substrate with diamond was shown to reduce the R_ {Th} by 42.2% compared to a standard GaN/SiC HEMT in simulation.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项针对GaN HEMT器件的顶部金刚石散热技术具有重要的战略价值。GaN功率器件凭借其高频、高效、高功率密度特性，正成为我们下一代光伏逆变器和储能变流器的核心选择，但散热问题一直制约着器件在额定功率下的可靠运行。
该研究通过在GaN/SiC HEMT顶部集成2微米厚金刚石散热层，在12 W/mm功率密度下实现了约20%的栅极温度降低，这对阳光电源产品具有直接应用价值。在光伏逆变器领域，更优的散热方案意味着可以提升功率密度，缩小系统体积，降低单瓦成本；在储能变流器应用中，降低的热阻（RTh）可显著提升系统在高温环境下的持续运行能力和循环寿命。研究显示，结合顶部金刚石和金刚石基板替代SiC，热阻可降低42.2%，这将为我们的高功率密度产品设计提供全新可能。
从技术成熟度评估，该方案面临的主要挑战包括：金刚石薄膜的制备成本和良率控制、与现有封装工艺的兼容性、以及450 W/m·K以上导热率的稳定实现。研究指出SiN保护层需控制在75nm以下才能发挥散热效果，这对工艺精度提出了较高要求。
建议阳光电源密切跟踪该技术的产业化进程，可考虑与金刚石材料供应商建立合作，在1500V高压大功率逆变器等旗舰产品中进行预研验证。这项技术若能成功商业化，将帮助我们在激烈的市场竞争中建立显著的热管理技术优势。