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氮化镓+金刚石热沉片高效散热王炸组合!

发表时间:2022-05-07 09:31作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

近年来,基于GaN微波功率器件的设计和工艺不断提高和改进,其理论输出功率越来越高(4 GHz,~40 W/mm),频率越来越大,体积越来越小 。然而,尺寸小型化和功率增大化条件下,GaN基微波功率器件的可靠性和稳定性受到严重挑战,其中最主要原因是GaN基功率器件随着功率密度增加,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。受传统封装散热技术的限制无法解决这一难题,必须从GaN器件近端结热区着手提升其热传输能力,因此探讨GaN基器件的高效散热课题成为其进一步推进GaN器件发展的重要方向。金刚石因具有超高热导率逐渐成为GaN器件热沉材料的首选,近年来,化合积电在金刚石作为GaN热沉或者衬底技术方面取得较大进展。


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集成到 GaN 中的 SiC 和金刚石等基板可以改善热管理。研究表明,对于相同的功率密度,金刚石上的 GaN 可以使通道温度较于GaN-on-SiC至少降低 40%,这将使器件寿命增加约 10 倍。


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在不同衬底上运行的GaN晶体管耗散相同功率的红外图像显示,GaN-on-Diamond是其中工作温度最低的,因为衬底和栅极之间的温升降低了,可以用于在更热的环境温度下工作。另研究表明,在室温下金刚石与氮化镓(GaN)结合,可以承受1000℃的热处理,使其大幅改善GaN HEMT热管理,从而降低器件的工作温度,因而是GaN HEMT高温制造工艺的理想材料。


Diamond & GaN 三种结合方式,化合积电都已攻克难题获得成功。


1、Diamond on GaN:在GaN HEMT结构上生长金刚石


化合积电采用微波等离子体化学气相沉积设备,在50.8 mm(2英寸)硅基氮化镓HEMT上实现<10um厚度多晶金刚石材料的外延生长。采用扫描电子显微镜及X射线衍射仪对金刚石薄膜的表面形貌、结晶质量以及晶粒取向进行表征测试,结果显示:样品表面形貌较为均匀,金刚石晶粒基本表现为(111)面生长,具有较高晶面取向。在生长过程中有效避免了氮化镓(GaN)被氢等离子体刻蚀,使得金刚石镀膜前后氮化镓特性未发生明显变化。


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2、GaN on Diamond:在金刚石衬底上直接外延生长GaN结构


在GaN on Diamond 外延生长中,化合积电通过特殊工艺生长氮化铝AIN作为GaN外延层,化合积电目前已有产品面世:Epi-ready-GaN on Diamond(AlN on Diamond)。



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3、GaN/金刚石键合:GaN HEMT制备完成后,转移键合到金刚石衬底上


化合积电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。通过与GaN键合,也可以有效地降低器件的温度,提高器件的稳定性和寿命。


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应用领域

·微波射频:5G 通信、雷达预警、卫星通讯等应用;

·电力电子:智能电网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等应用;

·光电子:LED灯、激光器、光电探测器等应用。


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