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下一代功率器件:金刚石热沉片+GaN HEMT!

发表时间:2022-06-27 14:06作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

在电力电子行业,硅MOSFET的性能已经达到了理论极限,现在急需新的技术。GaN是一种具有宽带隙及高电子迁移率的半导体,已被证明能够满足新应用。基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有出色的电气特性,是替代高压和高开关频率电机控制应用中MOSFET和IGBT的理想器件。而GaN的性能和可靠性与沟道温度和焦耳热效应有关,研究表明,金刚石可显著改善GaN基功率器件中存在的热效应问题。


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几种材料的热导率


金刚石这种高导热、电绝缘的衬底是氮化镓高功率晶体管的理想衬底,如图所示为几种衬底材料的热导率。由图可知,金刚石的热导率最高,相比之下传统的Si 或 SiC 衬底作为热沉衬底,虽能起到散热的作用,但两者的热导率( Si 衬底热导率 191 W/( m·K) ,SiC 热导率 490 W/( m·K) ) 较低,散热效果欠佳。金刚石的导热率比硅高14倍,因此热传导性好。金刚石的带隙为5.47eV,击穿场强为10MV/cm,电子迁移率为2200cm2/Vs,导热率约为2100W/m.K,并且绝缘性能较好,因此使用金刚石作为衬底可以有效解决GaN HEMT的散热问题。


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金刚石基氮化镓应用一览


无论是在器件级还是系统级,金刚石基氮化镓都可以提供高导热率、高电阻率和小尺寸。因此,对商用5G基站、军用雷达、卫星通信和气象雷达等高功率RF应用而言,金刚石基氮化镓功率放大器都极具吸引力。


但GaN HEMT结构上生长金刚石的技术难点在于金刚石与氮化镓之间存在晶格失配及热失配大的问题,且金刚石生长所需要的高温和强等离子体容易破坏氮化镓表面,这使得GaN HEMT结构上生长金刚石较难实现。化合积电持续不断攻克核心技术,并于近期成功破解这些技术难点。


目前,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(GaN)上实现<10um厚度多晶金刚石材料的外延生长。采用透射电子显微镜及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。

表征检测结果:


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图1 氢等离子体环境下未受损的GaN层SEM表面形貌图(3000倍)图2   GaN上生长的金刚石成核面SEM表面形貌图(3000倍)


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图3   GaN上生长的金刚石表面SEM表面形貌图(3000倍)图4   GaN上生长的金刚石薄膜XRD衍射图谱


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。化合积电领衔技术创新,不断推动金刚石技术的成熟与应用发展,我们将助力您在氮化镓GaN核心技术上取得重大突破,在解决高频、大功率GaN HEMT的散热方面抢占市场先机。欢迎洽谈和合作!


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