50μm Al₂O₃突破散热极限！致能实现全球最薄8英寸蓝宝石上氮化镓

近日，致能半导体在蓝宝石衬底减薄技术上取得重大突破，成功将8英寸蓝宝石上氮化镓晶圆衬底厚度减薄至仅50μm（图1），达到全球最好水平。此项技术使得蓝宝石上氮化镓功率器件的散热能力实现了质的飞跃，器件热阻显著低于近似规格硅上氮化镓器件，突破了氮化镓功率器件散热能力极限，对于推动氮化镓功率器件的广泛应用具有重要意义。

此外，致能半导体也已成功完成30μm蓝宝石超薄衬底的技术储备，预示着下一代氮化镓功率器件在热管理性能上拥有更大的提升空间。未来，致能将继续围绕当前产业痛点，致力于蓝宝石上氮化镓技术的持续创新，为未来追求极致功率密度与能效的系统方案奠定坚实基础。

图1：致能8”蓝宝石上氮化镓晶圆，衬底厚度仅50µm

蓝宝石（Al2O3）材料具备优异的绝缘特性和高温稳定性，蓝宝石上氮化镓功率器件以其卓越的耐压能力和高可靠性，在中高压领域展现出了相对硅上氮化镓功率器件的显著优势。但由于蓝宝石衬底热导率相对于硅衬底偏低，其带来的器件散热瓶颈问题成为大家关注的焦点。通过蓝宝石衬底减薄技术，可显著提升GaN 器件的散热性能、降低结温，并提高器件的可靠性。

如图2所示，硅上氮化镓方案因外延结构与应力复杂，导致晶圆非常脆弱，对于中高压器件通常需要保持较高的衬底厚度。硅上氮化镓复杂的外延层间界面声子散射以及较厚的衬底厚度都严重制约了散热性能。得益于蓝宝石衬底的绝缘特性以及与氮化镓材料之间更好的热匹配和晶格匹配，蓝宝石上只需要生长较薄的氮化镓即可满足器件的需求，外延结构更简单，内应力极低。这使得蓝宝石上氮化镓在衬底被减薄至极薄的情况下仍具有很好的韧性与强度（见图1，晶圆被大幅度弯折而不破裂）。

图2：蓝宝石上氮化镓与硅上氮化镓器件结构对比

如表1所示，研究团队测试了蓝宝石衬底厚度不同的三款器件的结壳热阻及其与相似规格的友商的硅上氮化镓器件的比较。对于衬底最厚的器件(200µm),其结壳热阻Rthjc=1.6oC/W,与硅基氮化镓器件相当。当蓝宝石衬底厚度为100µm时, Rthjc=1.1oC/W，明显好于硅上氮化镓器件。当蓝宝石衬底厚度被减至50µm时, Rthjc=0.8oC/W，仅为硅上氮化镓器件一半，优势极为明显。

表1：致能蓝宝石上氮化镓器件热阻与同规格友商硅上氮化镓器件对比

得益于蓝宝石上氮化镓器件的优异热阻性能,在应用中也展现出相对硅上氮化镓器件的明显热性能优势。表2展示了在大功率应用场景下，器件在不同电压和负载下的温升情况。可以看出，在所有条件下，致能的蓝宝石上氮化镓器件温升都远小于同规格的友商硅上氮化镓器件，展现出了卓越的散热能力。

表2：致能蓝宝石基氮化镓器件在大功率应用中与相似规格友商硅基氮化镓器件温升对比

蓝宝石衬底厚度对应用的影响在我们自身器件的横向对比中也获得了充分的体现。如图3,我们在较大功率的图腾柱PFC电源板上验证了100µm衬底和50µm衬底的两种器件的壳温。相比于100µm衬底器件,50µm衬底器件在90Vac时, 壳温降低了13.6oC;在264Vac时, 壳温降低了14.5oC。这些数据充分说明，衬底厚度对器件热性能有关键影响。

图3：图腾柱PFC电源测试板及100µm衬底（U79AHST010E）vs.50µm衬底（U79AHSS034）器件壳温对比