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金刚石和氮化镓结合法提高热管理能力

发表时间:2021-11-09 15:38作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

许多军事射频系统,如雷达和通信系统,都采用单片微波集成电路(MMIC)功率放大器。氮化镓MMIC放大器能大幅增强射频性能,然而,工作特性却受到热阻的较大影响。绝大部分的热阻产生于电路衬底与氮化镓晶体管之间的热结合处。如果衬底和连接位置的热特性很差,温度就会上升,导致放大器性能变差。

日前,美国国防先期研究计划局(DARPA)的“近结热传输”(NJTT)项目演示了首个基于金刚石的氮化镓高电子迁移率晶体管。早期测试中,该晶体管显示出比商用器件低得多的结温,大幅改善了晶体管的热特性,可使射频系统的性能得到提升。

DARPA项目经理阿夫·拉姆巴科恩称,基于金刚石的氮化镓高电子迁移率晶体管能够对下一代射频放大器提供有力支持。新型放大器比目前最先进的氮化镓放大器小三倍,能使射频系统的尺寸更小、重量更轻、功耗更低;或者,该新型功率放大器能增大输出功率三倍,可使通信系统的信号更强、雷达装备的探测距离更远。基于金刚石的氮化镓放大器功率更大、效率更高、尺寸更小,几乎任何射频系统都能从中获益。

在MMIC功率放大器中,结合面以下数微米处是温升最剧烈的位置,温度上升与整个晶圆的热导直接相关。采用和氮化镓结合紧密的高热导衬底,能获得极佳的耐热和散热性能,有望实质性改善目前高功率射频系统的散热限制。

使用新型外延层转移方法,三五半导体公司的研究人员将氮化镓从其生长的衬底上移出,并与金刚石衬底紧密结合。合成金刚石在人造材料中的热导率最高,是常规半导体材料硅的10倍以上。

NJTT项目是DARPA“热管理技术”(TMT)项目的研究内容之一,目的在于降低化合物半导体器件近连接区域的热阻抗。NJTT项目的研究始于2011年,研究人员正在研究将氮化镓从硅衬底和碳化硅衬底向金刚石衬底的外延层转移技术,以及碳化硅热通孔中金刚石直接生长等技术。TMT项目旨在对新型纳米结构材料和热管理系统的其他新进展进行研究和优化。


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