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GaN基功率器件的好搭档:金刚石散热衬底

发表时间:2022-01-06 10:32作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

近十年来,氮化镓(GaN)的研究热潮席卷了全球的电子工业,这种材料属于宽禁带半导体材料,具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、易于形成异质结构等优异性能,非常适于研制高频、大功率微波、毫米波器件和电路,在5G通讯、航天、国防等领域具有极高的应用价值,是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料。




与其他类型芯片类似,在尺寸小型化和功率增大化的条件下,尤其是在高偏置电压工作状态下,GaN基功率器件随着功率密度的增加,芯片有源区的热积累效应迅速增加,导致其各项性能指标迅速恶化,使其大功率优势未能充分发挥。因此,散热问题成为制约 GaN 基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。


其中,GaN功率器件常用衬底材料(蓝宝石、硅、碳化硅)的热导率较低,仅依靠传统的衬底材料通过被动冷却技术,难以满足高功率条件下的散热需求,严重限制GaN基功率器件潜力的释放。采用高热导率金刚石作为高频、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,如何将金刚石作为 GaN基功率器件的热沉或衬底,目前有多种技术,其中主要有多晶金刚石衬底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基器件金刚石衬底的制备技术


一、多晶金刚石衬底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:基于低温键合技术和基于GaN外延层生长金刚石技术。


(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米级粗糙度;随后在GaN和金刚石衬底分别沉积键合介质(键合介质可能为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刚石衬底GaN晶片推广到3~4英寸。




金刚石衬底


低温键合技术具有使用高质量、高导热率的金刚石衬底及键合过程不存在高温和氢等离子体环境的优势,同时也获得了良好的电学特性和散热效果。然而该技术路线的难点在于大尺寸金刚石衬底的高精度加工,尤其是对平行度、变形量及表面粗糙度的极高要求;去除原始衬底后GaN外延层表面的高精度加工等,实现键合层的低热阻和高质量键合强度也是实现器件制备的关键。


(2)基于GaN外延层背面直接生长金刚石


基于GaN外延层背面直接生长金刚石的方法与低温键合技术不同之处是,去除衬底及部分GaN缓冲层后,在外延层背面首先沉积一层介电层用于保护GaN外延层,而后再沉积金刚石衬底(厚度~100μm)。




金刚石衬底GaN基器件的制备流程


需要注意的是,虽然直接沉积法在散热能力方面体现出极为突出的优势,但是研究结果表明,该技术由于涉及到高温沉积,对热失配控制是重大挑战;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。


然而相较于键合技术获得的金刚石基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、单晶金刚石衬底外延GaN


随着单晶金刚石制备技术不断发展和完善,单晶金刚石衬底直接外延GaN 晶片也被用于改善散热需求。


有研究者在单晶金刚石衬底上采用分子束外延技术(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,基于此制备出GaN基HEMTs。




AlNGaN/GaN HEMTs在金刚石和SiC衬底上的温升对比


但这种方法采用单晶金刚石衬底外延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、高导热金刚石钝化层散热技术


这种方法一般是在晶体管器件表面生长一层纳米金刚石薄膜,从散热效果来看纳米金刚石包覆可以显著提高器件的性能,其横向热导率与初始几微米厚密切相关,最重要的是金刚石层与热源接近,使得这种方法比其他的热控方法更有利,特别是脉冲器件。




不同钝化层的GaN基HEMT散热能力对比


尽管采用该技术具有巨大潜力,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


与传统衬底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移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。


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)针对低温键合技术主要以降低金刚石加工成本,实现键合层的低热阻和高质量键合强度为目标;


(2)针对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)其他技术手段主要存在单晶金刚石衬底尺寸小、纳米金刚石钝化层沉积工艺与器件加工的兼容性等问题,这都将极大限制这些技术手段的发展和应用。   


解决上述问题,将为 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。


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