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金刚石热沉片:氮化镓技术的潜力释放者!

发表时间:2022-06-28 14:32作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

较高复杂性和功率密度更大的现代微型电子设备日益受到热管理技术的瓶颈制约。例如氮化镓(GaN)可以显著提高射频(RF)晶体管的整体性能,使其上升到一个全新的技术基准;但在临近最大输出功率处,RF晶片工作运行时的信道加热却大大缩短了设备寿命。因此,氮化镓设备的潜能有待于进一步挖掘提高。为了解决这个问题,化合积电研发了导热性更高的衬底以帮助晶体管设备散热:化学气相沉积(CVD)金刚石。


金刚石是迄今为止世界上导热性能最好的物质材料,室温下的导热系数高达2000W/m.k,是碳化硅导热系数的四到五倍。作为衬底材料,金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内,使晶体管设备在工作时能够有效散热。随着金刚石技术的成熟发展,金刚石衬底GaN可以替代常用的行波管和SiC衬底GaN设备,用于军事雷达、电子战系统、蜂巢式基地台、气象卫星和通信卫星等领域。研究发现金刚石衬底GaN可以以更低的信道温度传输功率密度,是SiC衬底GaN射频放大器效率的三倍。


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图1:GaN on SiC外延片,去除SiC,GaN 和 Diamond键合


研究人员对GaN和金刚石沉积进行测试试验以验证其是否有损GaN的外延生长,是否会引起设备性能的退化。实验对上千个金刚石衬底GaN和硅衬底GaN的HEMTs进行了测试;对晶片的表面电阻率、载流子迁移率、载流子密度、接触电阻和缓冲期隔离电流进行了详细试验。此外,还对被动元件的跨导、最大DC漏电流、饱和DC漏源电流、临界电压、闸极漏电流和拐点电压进行估值。工程师还求得了设备的RF数据,包括击穿电压、 fmax(MAG)、ft、电流电压特性和转移特性曲线。除了较低的表面闸极漏电流外,没有观察到明显的数据差异。


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图二:不同频宽比下硅衬底氮化镓HEMTs和金刚石衬底氮化镓HEMTs的电流波腹



如上图,利用连续波莫里负载牵引测量对两种设备在X频带频率和不同漏电压处的RF性能进行估值。结果发现硅衬底到金刚石衬底的改变使输出功率多增加了1dBm-1.5 dBm,功率增加效率提高了7%。AFRL还对比了两种HEMTs的电流波腹,发现硅衬底氮化镓HEMTs要比金刚石衬底氮化镓HEMTs对脉冲宽度更加敏感。


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图三:工程师利用显微拉曼成像和测温法对金刚石衬底氮化镓和硅衬底氮化镓的HEMT热特性进行探测。利用显微拉曼热分析可以获得热电阻的定量测量。如图所示,金刚石衬底氮化镓HEMT的热电阻为8KW-1mm-1;而硅衬底氮化镓HEMT的热电阻为21 KW-1mm-1。


以上研究表明,金刚石可显著改善GaN基功率器件的热效应问题,且不改变GaN特性。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。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Ra<1nm,金刚石热沉片热导率达1000-2000W/m.k。通过与GaN键合,可以有效降低期间温度,提高器件的稳定性和寿命。


基于晶圆级的金刚石产品能力,公司开发出了金刚石基氮化镓外延片,主要应用在射频(卫星、5G基站)与高功率器件(光伏、风力发电、新能源车、储能)等对热管理需求高的领域,作为碳化硅基氮化镓材料的补充。


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