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未来核心技术!金刚石氮化镓或是关键产业技术升级的重要突破口

发表时间:2021-11-26 17:11作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

金刚石氮化镓技术的应用,对射频和功率器件的发展意义重大。金刚石&氮化镓的结合,被认为是支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统以及5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统的核心技术。


目前,GaN基器件已广泛用于光电子、射频和汽车领域。但GaN 基功率器件的高频高功率性能优势因为有源区结热问题而未能充分发挥,传统衬底及封装散热技术难以解决“热”瓶颈难题。金刚石是一种性能优异的宽禁带半导体材料,作为新型热管理材料,其具有超高热导率,因此在高频、大功率GaN 基高电子迁移率晶体管(HEMT)和电路的散热方面极具应用潜力,近几年来一直是国际研究的热点。


自2003年美国Felix Ejeckam发明了金刚石上的GaN,以有效地从GaN晶体管中最热的位置提取热量,至今已过去十余年,GaN&Diamond结合经过多种探索和研究,归纳起来有三种方式(如下图):(1) 将金刚石键合到 GaN 晶片或直接键合到有/没有粘附层的 HEMT 器件;(2) 在单晶或多晶金刚石衬底上的 GaN 外延生长,然后制造 HEMT 器件, (3) 在 GaN 或 HEMT 器件的正面或背面上生长纳米晶或多晶金刚石。


用于 HEMT 器件的金刚石基 GaN 晶片的制造。

S:源极,D:漏极,G:栅极。


在金刚石氮化镓的应用早期都围绕着蜂窝基站和军事通信展开,国际上开展此项研究的不乏通讯射频领域的巨头企业,就美日韩而言,对于金刚石氮化镓的应用研究已历经近20年的时间,而曾经的实验室研究型材料已经走向商业化和产业化。


美国

AkashSystems公司专注于开发和供应小型卫星(CubeSat)以及RF功率放大器。该公司生产GaN-on-Diamond 晶圆、GaN-on-Diamond RF 器件、金刚石基 GaN MMIC 和放大器等适用于卫星通讯系统的产品。


Qorvo,全球领先的RF厂商,布局天线、功率放大器芯片、滤波器和射频开关等产业。应用GaN-on-Diamond技术使新一代射频放大器的体积缩小了三倍,且功率是目前GaN解决方案的三倍。Qorvo与 美国国防高级研究计划局 (DARPA)合作,力求金刚石氮化镓技术领域取得新突破。


Lockheed Martin,全球知名的安全和航空航天公司,该公司使用的ICECool技术非常适用于GaN-on-Diamond,致力于消除器件热阻以利用GaN的全部射频功率处理能力,在电子战、雷达、高性能计算机和数据服务器中均有应用。


日本

三菱电机(Mitsubishi Electric)在工业及重电设备、卫星、移动通信设备及尖端半导体等领域占据领先地位,其生产直接键合在金刚石衬底上的多单元结构GaN HEMT,旨在提高移动通信基站和卫星通信系统中高功率放大器的功率附加效率。


韩国

RFHIC是一家全球领先的设计和制造射频和微波器件的综合产品组合的综合服务商。生产GaN/Diamond epitaxial wafer(外延片)和GaN/Diamond HEMT用于功率放大器、发射器,目标市场是高功率国防武器、ISM(工业、科学和医疗)以及高功率5G无线通讯。


国际巨头对于金刚石氮化镓的应用市场锁定商用基站、军用雷达、卫星通信和气象雷达等高频高功率应用,并且已开始针对5G基站应用进行大规模生产。事实上,随着研究的深入,金刚石氮化镓的用武之地不限于通讯卫星和国防军工,在电力电子、光电子等领域也具有无限可能。


1.通讯卫星应用


在通信卫星行业中,无线电通信、电子战、雷达和其他领域对半导体材料的带宽和性能都提出了更高层次的要求。GaN & diamond结合,充分利用金刚石的超高热导率(1000-2000W/m.K),可以比使用硅、碳化硅、蓝宝石等其他材料更有效且高效地散热。此外,金刚石高击穿场、高饱和速度、出色的热性能等特性,有助于长距离或高功率水平的信号传输,这一特性促使GaN & diamond在射频应用中脱颖而出。


此外,具备高导热性、机械强度、电绝缘性、低重量和化学惰性等独特特性组合的金刚石,为高频有源半导体提供更好的电气设备操作、更低的操作温度、更高的可靠性和更长的使用寿命,因此被认为是用于高功率密度/高频设备的绝佳材料。


2.国防军工应用


在国防军事中,防御设备的响应能力、高度集成、长期可靠性等,都是考量的重要因素。由于高击穿电压和快速散热能力,促使GaN on Diamond在国防工业中起到至关重要的作用。


金刚石基氮化镓HEMT(高电子迁移率晶体管),在高频操作中稳定可靠,且能够更好地利用各种电磁频谱,从而提高军事和国防蜂窝手机、卫星和无线技术等的性能。近年来全球地缘政治紧张局势加剧,各国政府在航空航天和国防领域的投入不断增加的背景下,将极大推动金刚石基氮化镓HEMT的应用和发展。


3.其他应用


金刚石氮化镓在商业领域拥有巨大的应用空间,应用领域主要在微波射频、电力电子和光电子。微波射频包括5G通讯、雷达预警、卫星通讯等;电力电子包括智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等;光电子包括LED灯、激光器、光电探测器等。在这些关键产业的技术升级、产品迭代中,金刚石基氮化镓或是颠覆行业的重要突破口。


化合积电为我国率先开展GaN&Diamond研究的企业,在GaN&Diamond三种结合方案中,均取得了突破性进展。现有GaN on Diamond、Diamond on GaN以及GaN&Diamond键合所需金刚石热沉片,对标国际一流。化合积电现有金刚石热沉片和晶圆级金刚石产品技术指标达到世界领先的水平,晶圆级金刚石生长面表面粗糙度Ra<1nm,金刚石热沉片的热导率达1000-2000W/m.K。我们仍将持续科技创新,争当科技进步的驱动者和贡献者,让前沿技术助力相关应用领域腾飞发展。


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