近十年来,氮化镓(GaN)的(de)研究热潮席卷了全(quan)球(qiu)的(de)电子工业,这种材料属于(yu)宽禁(jin)带半导(dao)体(ti)材料,具(ju)有(you)禁(jin)带宽度大、热导(dao)率高、电子(zi)饱和漂移(yi)速度高、易(yi)于(yu)形成异(yi)质(zhi)结(jie)构等优异(yi)性能,非常适于(yu)研制高频、大功率(lv)微波、毫米波器件和电(dian)路,在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值,是近(jin)20余年以来研制(zhi)微波(bo)功率器件最(zui)理想的半导体材料。
与其(qi)他(ta)类型芯(xin)片(pian)类似,在尺(chi)寸小型化和功率增大化的条件下,尤其是在高偏置(zhi)电压工(gong)作状态下(xia),GaN基功率器件(jian)随(sui)着功率密(mi)度的(de)增加,芯片有(you)源区的(de)热积累(lei)效(xiao)应迅(xun)速增加,导致其各项性能指标迅(xun)速恶化,使(shi)其大功率优势(shi)未能充分发(fa)挥。因此(ci),散热问(wen)题成为制(zhi)约 GaN 基功率器件(jian)进一(yi)步(bu)发(fa)展和广泛(fan)应用的(de)主(zhu)要技术瓶(ping)颈之一(yi)。
其中,GaN功率器件常用衬底(di)材料(蓝(lan)宝石、硅(gui)、碳化硅(gui))的热(re)导率较(jiao)低(di),仅依(yi)靠传统的衬底材料通(tong)过被(bei)动冷却技术,难以满足高功率条(tiao)件(jian)下(xia)的散热(re)需求,严重(zhong)限(xian)制GaN基功率器件潜力的释放。采用高热导率金刚石作(zuo)为高频、大功率GaN基器件的衬底或热沉,可以降低GaN基大功率器件的自加热效应,并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题,因此成为近几年的一个国际研究热点。
各种衬底材料(liao)及GaN的常见性能
然而,GaN与金刚石存在较大晶格失配和热失配等问题,如(ru)何将金刚石作(zuo)为(wei) GaN基功率器件的热沉或衬底,目前有多(duo)种技术,其中主要有多晶(jing)金刚石衬底 GaN散热技术、单晶金刚石衬底散热技术、高导热金刚石钝化层散热技术等。
GaN基器件金刚石(shi)衬底(di)的制备(bei)技术
一、多(duo)晶(jing)金(jin)刚石(shi)衬底GaN散热技术
目前采用多晶金刚石制备GaN基器件衬底的技术主要分两种方式:基于低温(wen)键(jian)合技(ji)术和基于GaN外延层生长(zhang)金(jin)刚石(shi)技术(shu)。
(1)低温键合技术
最先开展GaN/金刚石低温键合方法的是BAE Systems(英国航空航天公司),其技术路线是,首先在SiC基GaN外延层制备HEMT器件(即高电子迁移率晶体管),然后将GaN基HEMT晶片键合在临时载体晶片(Temp Carrier)上,去除SiC衬底和部分GaN的形核层和过渡层,并将其表面和金刚石衬底加工到纳(na)米(mi)级粗糙度;随后在GaN和金刚石(shi)衬底分别(bie)沉(chen)积键合介质(键(jian)合介质可(ke)能为SiN、BN、AlN等),在低于150℃的温度键合,最后去除临时载体晶片,最终获得金刚石衬底GaN HEMT器件。
目前采用该技术路线将金(jin)刚石衬底GaN晶片推广到3~4英寸。
金(jin)刚(gang)石衬底
低温(wen)键合技(ji)术具有使用高质量、高导热率的金刚石衬底及键合过程不存在高
温(wen)和氢等(deng)离子(zi)体(ti)环境(jing)的(de)优(you)势(shi),同时也获得了良好的(de)电学(xue)特性和散热效果。然而该技术路线的(de)难点在于(yu)大尺寸金(jin)刚石衬(chen)底的(de)高精度加工,尤其(qi)是对平(ping)行度、变形量及表面粗糙度的极高要求(qiu);去(qu)除(chu)原始衬底后GaN外延层表面的高精度加工等,实(shi)现键合层的低(di)热阻和高质量键合强度也是(shi)实现器件制备的关(guan)键(jian)。
(2)基于GaN外(wai)延(yan)层背面直接生长金刚(gang)石
基于GaN外延层背面(mian)直接生长金刚石(shi)的方(fang)法与低温(wen)键合(he)技术不同(tong)之处(chu)是,去除衬底(di)及部分(fen)GaN缓冲层后,在外(wai)延层背面首先沉积一层介电层用(yong)于(yu)保护(hu)GaN外延层,而后再沉积金刚石衬底(厚度~100μm)。
金刚石衬底GaN基器件的制备(bei)流程(cheng)
需要(yao)注意的是,虽然直接沉积法(fa)在(zai)散热能力方面(mian)体现出(chu)极为突出(chu)的优势(shi),但是研究结果表明,该(gai)技术由于涉及到高温沉积,对热失配(pei)控(kong)制是重(zhong)大挑(tiao)战;GaN外延层临时转移后沉积金刚石膜过程中也存在损伤风险;金刚石形核层较低的热导率不利于其热传输。
然而相(xiang)较于(yu)键合技(ji)术获得的金刚石基GaN,该技术可以使界面热阻降到更低,这也说明该技术在制备金刚石基GaN方面也具有极大潜力。
二(er)、单晶金刚石衬底(di)外(wai)延GaN
随着(zhe)单晶金(jin)刚石制备技术不断发展(zhan)和完善,单晶金(jin)刚石衬底(di)直接外延GaN 晶片也被用于改善散热需求。
有研(yan)究者在单(dan)晶金刚石衬底上采用分子束外(wai)延技术(MBE)外延沉积得到GaN外延层,随后在此基础上又沉积出AlGaN/GaN异质结材料,基于此制备(bei)出(chu)GaN基HEMTs。
AlNGaN/GaN HEMTs在(zai)金(jin)刚石和SiC衬底上的温升对比
但(dan)这(zhei)种(zhong)方法采(cai)用单晶(jing)金刚(gang)石衬底外延GaN实现了AlNGaN/GaN HEMTs的异质外延和器件制备,但是难度依然极大,GaN和金刚石的晶格常数和热膨胀系数差异巨大,也给制备带来巨大困难,此外单晶尺寸和成本进一步限制其应用。
三、高导(dao)热(re)金刚石钝化层散热(re)技术
这(zhei)种(zhong)方法一(yi)般是在晶体管器件表面(mian)生长(zhang)一(yi)层纳米金刚石薄(bo)膜,从(cong)散(san)热(re)效(xiao)果来(lai)看(kan)纳米金刚石包(bao)覆可(ke)以显著(zhu)提高器件(jian)的性能,其横向(xiang)热导率与(yu)初始几微米厚(hou)密切(qie)相关,最重要的是(shi)金刚石层与(yu)热源(yuan)接(jie)近,使得这种方法(fa)比其他的热控方法(fa)更有(you)利,特别是(shi)脉(mai)冲(chong)器件(jian)。
不(bu)同(tong)钝化层(ceng)的GaN基HEMT散热能力对比
尽管采用该技术具(ju)有(you)巨(ju)大潜力,但是在制作HEMTs的过程中,沉积纳米金刚石薄膜往往受到器件工艺条件的限制,沉积温度一般较低,纳米金刚石膜的热导率并不高,这些都限制了该技术的应用和推广。
总结(jie)
与(yu)传统衬底GaN基功率器件相比,金刚石衬底 GaN 器件具有更高的散热能力,下一代金刚石基GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统,为5G和6G移动(dong)通信(xin)网络(luo)和更复杂(za)的雷达系统铺平(ping)道路。
然而金刚石衬底与GaN外延层的结合技术并未成熟,还存在许多难题亟需解决,距离产业化尚有距离。未来金刚石(shi)衬底与GaN外延层结合技术的研究将趋于以下几个方面:
(1)针对低温键(jian)合(he)(he)(he)技(ji)术主要以降低金刚石加工(gong)成本,实现键(jian)合(he)(he)(he)层(ceng)的低热阻和高质量键(jian)合(he)(he)(he)强度为目标;
(2)针(zhen)对(dui)GaN外延层背面沉积技术,以实现GaN外延层的高效率转移,提高金刚石形核层热导率,提高GaN外延层转移后电学特性,实现GaN外延层沉积金刚石衬底的大面积为研究方向;
(3)其他技术手(shou)段(duan)(duan)主要存在单(dan)晶金(jin)刚石(shi)衬底尺(chi)寸小、纳米(mi)金(jin)刚石(shi)钝化(hua)层沉积工艺与器件加工的兼(jian)容性等问(wen)题,这都(dou)将极大限制(zhi)这些(xie)技术手(shou)段(duan)(duan)的发(fa)展和应用。
解决上述问(wen)题,将(jiang)为 GaN 功率器件实现高频、高功率应用,提供广阔前景,并带来更大效益。
参考来源:
1. 金刚(gang)石(shi)散热衬(chen)底在GaN基功(gong)率器件中(zhong)的应(ying)用进展(zhan),贾鑫、魏俊俊、黄亚博、邵思武、孔月婵、刘(liu)金龙(long)、陈良贤、李成明、叶海涛(tao) (北(bei)京(jing)科技(ji)大学、南京(jing)电子器件研究所(suo));
2. 金(jin)刚(gang)石基氮化镓(GaN)技术的未来展望。
粉体圈 小吉
版(ban)权(quan)声(sheng)明:
本(ben)(ben)文为粉体圈原创作品,未经许可,不得(de)转(zhuan)载(zai),也不得(de)歪曲(qu)、篡(cuan)改或(huo)复制(zhi)本(ben)(ben)文内容,否则(ze)本(ben)(ben)公(gong)司将依法(fa)追究法(fa)律(lv)责任。