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如何降低GaN器件“自热效应”?晶圆级金刚石热沉片大显身手!

发表时间:2022-05-17 13:52作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

GaN 功率器件的理论输出功率密度可达40 W/mm 以上,但是由于现阶段因其自身热效应问题导致 GaN HEMT 器件功率密度仅为 3~5 W/mm,由此可见其自身优势远远未发挥。主要原因是在高偏置电压工作状态下,过大的功率耗散导致器件升温,而传统的低热导率衬底和散热途径的散热能力有限,阻碍热量向周围环境扩散,进而加强声子散射,引起势阱中载流子迁移率下降,使器件的静态 I-V 特性衰减,这种现象被称为“自热效应”。



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常用衬底材料和GaN常见性能的对比结果如下,仅依靠传统的衬底材料(硅、碳化硅),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。因此,提高器件可靠性,必须要解决其有源区的热累积问题,提升内部热传递能力,尤其是有源区附近的传热能力成为提升器件功率密度、实现大功率特性的关键途径。采用高导热率的金刚石作为 GaN基功率器件的散热衬底或者热沉,有望改善其“自热效应”,实现高频、高功率的应用。



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研究表明,与传统的SiC 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,对于相同的功率密度,金刚石上的GaNHEMT可以使通道温度较于SiC上的GaNHEMT至少降低40%,这将使器件寿命增加约10倍,并且有望实现GaN 基功率器件的小型化和大功率化,从而促进在射频功率器件和微波功率器件相关领域的广泛应用。


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在金刚石-氮化镓结合的研究中,金刚石与氮化镓键合是主要技术线路之一。然而在晶圆键合中,对金刚石品质提出了高要求,要成功键合,金刚石表面粗糙度值Ra 必须低于 1 nm,理想情况下小于该值的一半,即Ra<0.5nm。化合积电采用MPCVD法制备高质量金刚石热沉片,并独特研发基于等离子体辅助研磨抛光的金刚石原子级表面高效精密加工方法。对于2英寸金刚石热沉片,可将表面粗糙度从数十微米级别降低至1nm以下。该技术具有较高的去除效率, 能够获得原子级平坦表面, 并且不会产生亚表面损伤,针对键合所需金刚石热沉片,可提供定制产品,表面粗糙度Ra可达到小于0.5nm。


化合积电晶圆级金刚石热沉片Ra<0.5nm,翘曲度Warp<10um, 厚度100um,助力实现氮化镓-金刚石完美键合,提供GaN/Diamond结合全方案,破解GaN器件自热难题。目前已在微波射频、电力电子、光电子领域广泛应用。


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