GaN On Diamond GaN devices and Diamond Heatsinks Integration
March11, 2026
GaN-on-Diamond Technology Pathways and Large-Area Integration – SemiXicon / Diasemi Perspective
As power density in GaN HEMT devices continues to increase, thermal management has become a key factor limiting device performance and reliability. Diamond, with its ultra-high thermal conductivity (>2000 W/m·K), is widely recognized as an ideal heat-spreading material for next-generation GaN devices. At SemiXicon / Diasemi, GaN-on-diamond heterogeneous integration represents a strategic technology direction for enabling high-power RF and advanced electronic systems.
Currently, three main technological approaches exist for realizing GaN-on-diamond structures:
Epitaxial growth of GaN on diamond substrates
This approach is limited by the significant lattice and thermal mismatch between GaN and diamond, making it difficult to obtain high-quality GaN films.Diamond deposition on the surface of GaN devices
Although this method can provide a high thermal conductivity layer, diamond deposition typically requires high temperatures, which may damage pre-fabricated GaN device structures.Direct bonding of GaN to diamond substrates
Direct bonding offers significant advantages. It allows the integration of a high-thermal-conductivity diamond substrate beneath GaN devices without modifying the existing HEMT structure, greatly improving heat dissipation. This approach is currently considered the most promising for industrial applications.
From 10 mm to 30 mm: Scaling Toward Large-Area Devices
Earlier studies demonstrated successful bonding of GaN devices to single-crystal diamond at 10 mm scale. However, industrial deployment requires scalable manufacturing for larger device areas.
Recent developments have expanded the device size to 30 mm × 30 mm using mosaic diamond substrates. These substrates are composed of multiple diamond crystals assembled together, enabling larger sizes while maintaining excellent thermal performance. This approach significantly reduces manufacturing cost and improves process compatibility.
Ultra-Precision Surface Preparation
Achieving high-quality bonding requires extremely smooth surfaces on both GaN and diamond. To meet this requirement, the process includes:
172 nm vacuum ultraviolet (VUV) assisted polishing for the mosaic diamond substrate
Chemical Mechanical Polishing (CMP) for the GaN surface
After processing:
Diamond surface roughness decreased from 152 nm to 0.12 nm
GaN surface roughness decreased to ~0.21 nm
Both surfaces achieved roughness values below 0.4 nm, meeting the requirements for low-temperature direct bonding.
Surface Activated Bonding (SAB)
During device fabrication, Surface Activated Bonding (SAB) was employed with a ~5 nm silicon intermediate layer.
In a vacuum environment, surfaces were activated using an argon ion beam, followed by the application of pressure at room temperature to achieve direct bonding between GaN and diamond.
The process successfully produced a 30 mm × 30 mm GaN-on-diamond HEMT chip with a bonding area ratio of approximately 95%, with only minor local unbonded regions. This demonstrates that large-area heterogeneous integration is now close to industrial feasibility.
Enabling Next-Generation High-Power Electronics
By combining the high electron mobility of GaN with the exceptional thermal conductivity of diamond, GaN-on-diamond technology significantly reduces device junction temperature, enabling higher power density and improved reliability.
From the SemiXicon / Diasemi perspective, this platform opens new opportunities for:
High-power RF amplifiers
Satellite communications and space electronics
Radar systems
Next-generation communication infrastructure (5G / 6G)
As diamond material production and bonding technologies continue to mature, GaN-on-diamond is expected to become a key thermal management and integration solution for future high-power semiconductor devices.
Voies technologiques du GaN-sur-diamant et intégration sur grande surface – Perspective SemiXicon / Diasemi
Avec l’augmentation continue de la densité de puissance des dispositifs GaN HEMT, la gestion thermique devient un facteur critique limitant les performances et la fiabilité. Le diamant, grâce à sa conductivité thermique extrêmement élevée (>2000 W/m·K), est reconnu comme un matériau idéal pour la dissipation thermique des dispositifs GaN de nouvelle génération. Chez SemiXicon / Diasemi, l’intégration hétérogène GaN-sur-diamant constitue une orientation technologique stratégique pour les systèmes électroniques et RF haute puissance.
Trois approches principales existent actuellement pour réaliser des structures GaN-on-diamond :
Croissance épitaxiale de GaN sur substrat diamant
Cette approche est limitée par le fort désaccord de réseau cristallin et de coefficient de dilatation thermique entre le GaN et le diamant, rendant difficile l’obtention de films GaN de haute qualité.Dépôt de diamant sur la surface des dispositifs GaN
Bien que cette méthode permette d’ajouter une couche à haute conductivité thermique, le dépôt de diamant nécessite généralement des températures élevées pouvant endommager les structures de dispositifs déjà fabriquées.Collage direct du GaN sur un substrat diamant
Le collage direct présente des avantages significatifs. Il permet d’intégrer un substrat diamant hautement conducteur thermiquement sous le dispositif GaN sans modifier la structure HEMT, améliorant ainsi considérablement la dissipation thermique. Cette approche est aujourd’hui considérée comme la plus prometteuse pour une industrialisation.
De 10 mm à 30 mm : vers des dispositifs de grande surface
Des travaux antérieurs ont démontré le collage réussi de dispositifs GaN sur diamant monocristallin à une échelle de 10 mm. Toutefois, l’industrialisation nécessite des procédés capables de traiter des surfaces plus grandes.
Des recherches récentes ont permis d’étendre la taille des dispositifs à 30 mm × 30 mm grâce à l’utilisation de substrats diamant mosaïque. Ces substrats sont constitués de plusieurs cristaux de diamant assemblés, permettant d’obtenir de plus grandes dimensions tout en conservant d’excellentes propriétés thermiques. Cette approche réduit les coûts de fabrication et améliore la compatibilité des procédés.
Préparation de surface ultra-précise
Un collage de haute qualité nécessite des surfaces extrêmement planes sur le GaN et le diamant. Les procédés utilisés incluent :
Polissage assisté par ultraviolet sous vide (VUV) à 172 nm pour le substrat diamant mosaïque
Polissage chimico-mécanique (CMP) pour la surface du GaN
Après traitement :
La rugosité du diamant est réduite de 152 nm à 0,12 nm
La rugosité du GaN est réduite à environ 0,21 nm
Les deux surfaces présentent une rugosité inférieure à 0,4 nm, compatible avec les exigences du collage direct à basse température.
Collage par activation de surface (SAB)
Le procédé de fabrication utilise la technologie Surface Activated Bonding (SAB) avec une couche intermédiaire de silicium d’environ 5 nm.
Dans un environnement sous vide, les surfaces sont activées par faisceau d’ions argon, puis une pression est appliquée à température ambiante afin de réaliser le collage direct entre le GaN et le diamant.
Cette technique a permis de fabriquer une puce HEMT GaN-sur-diamant de 30 mm × 30 mm, avec un taux de surface collée d’environ 95 %, seules quelques zones locales restant non collées. Ce résultat démontre que l’intégration hétérogène sur grande surface est désormais proche d’une application industrielle.
Vers les dispositifs électroniques haute puissance de prochaine génération
En combinant la haute mobilité électronique du GaN avec la conductivité thermique exceptionnelle du diamant, la technologie GaN-sur-diamant permet de réduire fortement la température de jonction, d’augmenter la densité de puissance et d’améliorer la fiabilité.
Pour SemiXicon / Diasemi, cette technologie ouvre des perspectives importantes dans les domaines suivants :
Amplificateurs RF haute puissance
Communications satellitaires et électronique spatiale
Systèmes radar
Infrastructures de communication de nouvelle génération (5G / 6G)
À mesure que la production de diamant et les technologies de collage continuent de progresser, le GaN-sur-diamant devrait devenir une solution clé pour la gestion thermique et l’intégration des dispositifs semi-conducteurs haute puissance.
