近日，致能半導(dǎo)體在藍寶石襯底減薄技術(shù)上取得重大突破，成功將8英寸藍寶石上氮化鎵晶圓襯底厚度減薄至僅50μm（圖1），達到全球最好水平。此項技術(shù)使得藍寶石上氮化鎵功率器件的散熱能力實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，器件熱阻顯著低于近似規(guī)格硅上氮化鎵器件，突破了氮化鎵功率器件散熱能力極限，對于推動氮化鎵功率器件的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

此外，公司也已成功完成30μm藍寶石超薄襯底的技術(shù)儲備，預(yù)示著下一代氮化鎵功率器件在熱管理性能上擁有更大的提升空間。未來，致能將繼續(xù)圍繞當(dāng)前產(chǎn)業(yè)痛點，致力于藍寶石上氮化鎵技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，為未來追求極致功率密度與能效的系統(tǒng)方案奠定堅實基礎(chǔ)。

圖1：致能8”藍寶石上氮化鎵晶圓，襯底厚度僅50µm

藍寶石（Al2O3）材料具備優(yōu)異的絕緣特性和高溫穩(wěn)定性，藍寶石上氮化鎵功率器件以其卓越的耐壓能力和高可靠性，在中高壓領(lǐng)域展現(xiàn)出了相對硅上氮化鎵功率器件的顯著優(yōu)勢。但由于藍寶石襯底熱導(dǎo)率相對于硅襯底偏低，其帶來的器件散熱瓶頸問題成為大家關(guān)注的焦點。通過藍寶石襯底減薄技術(shù)，可顯著提升GaN 器件的散熱性能、降低結(jié)溫，并提高器件的可靠性。

如圖2所示，硅上氮化鎵方案因外延結(jié)構(gòu)與應(yīng)力復(fù)雜，導(dǎo)致晶圓非常脆弱，對于中高壓器件通常需要保持較高的襯底厚度。硅上氮化鎵復(fù)雜的外延層間界面聲子散射以及較厚的襯底厚度都嚴重制約了散熱性能。得益于藍寶石襯底的絕緣特性以及與氮化鎵材料之間更好的熱匹配和晶格匹配，藍寶石上只需要生長較薄的氮化鎵即可滿足器件的需求，外延結(jié)構(gòu)更簡單，內(nèi)應(yīng)力極低。這使得藍寶石上氮化鎵在襯底被減薄至極薄的情況下仍具有很好的韌性與強度（見圖1，晶圓被大幅度彎折而不破裂）。

 圖2：藍寶石上氮化鎵與硅上氮化鎵器件結(jié)構(gòu)對比

如表1所示，我們測試了藍寶石襯底厚度不同的三款器件的結(jié)殼熱阻及其與相似規(guī)格的友商的硅上氮化鎵器件的比較。對于襯底最厚的器件(200µm),其結(jié)殼熱阻Rthjc=1.6oC/W,與硅基氮化鎵器件相當(dāng)。當(dāng)藍寶石襯底厚度為100µm時, Rthjc=1.1oC/W，明顯好于硅上氮化鎵器件。當(dāng)藍寶石襯底厚度被減至50µm時, Rthjc=0.8oC/W，僅為硅上氮化鎵器件一半，優(yōu)勢極為明顯。

 表1：致能藍寶石上氮化鎵器件熱阻與同規(guī)格友商硅上氮化鎵器件對比

得益于藍寶石上氮化鎵器件的優(yōu)異熱阻性能,在應(yīng)用中也展現(xiàn)出相對硅上氮化鎵器件的明顯熱性能優(yōu)勢。表2展示了在大功率應(yīng)用場景下，器件在不同電壓和負載下的溫升情況。可以看出，在所有條件下，致能的藍寶石上氮化鎵器件溫升都遠小于同規(guī)格的友商硅上氮化鎵器件，展現(xiàn)出了卓越的散熱能力。

 表2：致能藍寶石基氮化鎵器件在大功率應(yīng)用中與相似規(guī)格友商硅基氮化鎵器件溫升對比

藍寶石襯底厚度對應(yīng)用的影響在我們自身器件的橫向?qū)Ρ戎幸搏@得了充分的體現(xiàn)。如圖3,我們在較大功率的圖騰柱PFC電源板上驗證了100µm襯底和50µm襯底的兩種器件的殼溫。相比于100µm襯底器件,50µm襯底器件在90Vac時, 殼溫降低了13.6oC；在264Vac時, 殼溫降低了14.5oC。這些數(shù)據(jù)充分說明，襯底厚度對器件熱性能有關(guān)鍵影響。

 圖3：圖騰柱PFC電源測試板及100µm襯底（U79AHST010E）vs.50µm襯底（U79AHSS034）器件殼溫對比