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金刚石基氮化镓应用技术

发表时间:2021-12-14 16:55作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

最近,美国空军研究实验室(AFRL)工程师独立进行了一项调查,其侧重点在于氮化镓epi-flip和金刚石沉积过程是否对氮化镓外延有害且是否会对器件性能造成损害。工程师进行的检查涉及到分析众多金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT。HEMT(在硅衬底和金刚石衬底上完全相同)尺寸:栅极宽度300μm(2x150μm);栅极长度0.15μm;源漏间隔:4.5μm。

图1. 金刚石基氮化镓结构的制作过程:将氮化镓面粘至临时载体上;刻蚀村底和过渡层;沉积50nm厚的电介质,然后在氮化镓背面沉积金刚石层;除去临时载体。


经过广泛测量,仔细检查了外延片及其构成的器件。对整个晶片的薄层电阻率、载流子迁移率、载流子密度、接触电阻、薄层电阻及缓冲绝缘电流进行了绘制,同时,对钝化器件进行了测量,评估了跨导值、DC漏电最大值、DC饱和源电流、阀值电压、栅漏电压和拐点电压。除此之外,工程师还获得了钝性器件的射频数据,包括击穿电压、fmax(MAG)、伏安曲线及转移曲线。根据统计,硅基氮化镓和金刚石基氮化镓的DC和RF测量值没有任何显著差异,表层栅漏除外(见表1:调查结果总结)。


 表1. 总结美国空军研究实验室针对设计完全相同的金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT进行的DC和射频测量值的均值(和标准偏差)。
 图2. 在多能级功率损耗下金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT的X波段负载牵引测量值。

然后,在X-波段(10GHz)频率和各漏极电压下,结合连续波Maury负载牵引测量值,评估这两种器件的射频性能。使用15V至25V的漏极电压对真空夹盘上的处于25℃温度下的晶片进行测量,所得的数值表明从根本上将硅转化成金刚石不仅能提高输出功率1-1.5dBm,还能增加功率效率7个百分点(图3)。


 图3. 在各占空比下测出的金刚石基氮化镓(左图)和硅基氮化镓(右图)当前压降。

美国空军研究实验室工程师还就两种高电子迁移率晶体管(HEMT的当前压降进行对比。该研究表明,由于自动加热增强,所以在脉冲长度方面,硅基氮化镓HEMT(见图4)比金刚石基氮化镓HEMT更为敏感。


 图4. 偏场条件下金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT的红外摄像。利用器件栅与衬底基础之间的温差进行计算。


利用红外热成像法和显微拉曼光谱技术揭示硅基氮化镓HEMT比金刚石基氮化镓HEMT的热力性能。与硅基和SiC基HEMT的热变电阻16.6KW-1mm-1和11.5 KW-1mm-1相比,金刚石基氮化镓HEMT的热变电阻值仅为7.44KW-1mm-1。


 图5. 利用显微拉曼光谱技术测量金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT的温度变化。

热变电阻定量测量可与显微拉曼热力分析一同进行。在所测温度下发现金刚石基HEMT(见图6)的热变电阻约为8.0KW-1mm-1。相比之下,同样的硅基氮化镓HEMT的热变电阻约为21KW-1mm-1。


 图6. 氮化镓HEMT(特点是可利用显微拉曼光谱技术和栅极测温技术),从左:SiC基氮化镓40微米栅-栅间隔,SiC基氮化镓30微米栅-栅间隔、SiC基氮化镓10微米栅-栅间隔。


对比SiC

在大功率氮化镓射频应用方面,行业中主要衬底为SiC衬底。所以,基于此平台的HEMT的性能树立了新的标杆,氮化镓基金刚石器件的性能应按此标准进行评判。雷神公司工程师利用形成的10 ×125μm HEM,并结合公司的微波氮化镓工艺,对两种类型器件进行了比较。该研究涉及到塑造一系列器件,其中金刚石基氮化镓的栅-栅间隔为10μm和40μm而硅基氮化镓的栅-栅间隔为30μm和40μm(见图7)。测量各个器件(同样的打包配置及能在多重功耗水平下运行)的栅极温度。


 图7. 比较金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT模拟温度和试验温度。试验期间采用栅极测温技术(左)和显微拉曼光谱技术(右)。左边:在同等栅-栅间隔和损耗条件(6.9W/mm)下,比较金刚石基氮化镓HEMT和硅基氮化镓HEMT。右边:金刚石基氮化镓HEMT的栅-栅间隔比硅基氮化镓HEMT的栅-栅间隔小三倍。


模拟结果表明由于沟道至衬底热变电阻减少了40%,所以在最大沟道温度下金刚石基氮化镓HEMT能利用的栅-栅间隔是SiC基氮化镓同等设备栅-栅间隔的三分之一。为证实这一点,工程师利用显微拉曼热像法和栅极温度测定法探测热力特性(见图8)。


通过顺向偏压栅极测量(按照温度校准)测定的HEMT温度与模拟结果恰好相符。这表明在4.2W/mm散耗功率下,10μm栅-栅金刚石基氮化镓HEMT的峰值结温仅比30μm栅-栅SiC基氮化镓器件高6.3℃(6%)。并且,在4.2W/mm散耗功率下和在40μm栅-栅间隔情况下,金刚石基氮化镓器件结温比SiC基氮化镓同等器件的结温低8.5℃。这表明将SiC换成金刚石,能使面耗散密度从140激增至420W/mm2。


这些结果多为早期金刚石基氮化镓结构。对最新材料所做的测量表明材料热力性能已得以改善,这会推动创造更多让人侧目的器件。


金刚石基氮化镓可靠吗?

不管引进何种新衬底,总会有人对其可靠性表示忧虑。在热力膨胀系数、晶体结构、表面性质及内部应力方面,金刚石与氮化镓有显著差异,由此引发了种种怀疑。为解决这些疑虑,笔者在24V恒定源漏极电压条件下,让金刚石基氮化镓HEMT经受温度高达350℃的沟道温度。


在这一系列耐久性试验期间,监测一组已在沟道温度升高的情况下运行上千个小时的器件的源漏极电流和栅漏电流。在350℃温度下运行4000小时后,在290℃温度下运行9000小时后及在210℃温度下运行17000小时后,金刚石基氮化镓HEMT的电流偏离小于其初始值的25%。与之相反,在试验开始后的几百个小时内,所有硅基氮化镓器件(这些器件与相似金刚石基氮化镓器件的氮化镓外延和结构相同)均出现严重故障。


显然,在金刚石沉积之前,除去氮化镓与硅之间严重受损的过渡层会有利于因引入金刚石基氮化镓所引起的改进。然而,为了确定这一情况,需进行更多研究确保更好理解这些试验结果。


氮化镓HEMT影响

在雷达设计、电子作战、防御无线电、通信和气象卫星、蜂窝基站及航空电子系统领域,将SiC基氮化镓替换成金刚石基氮化镓,使热变电阻降低40%,能带来两大好处:一是降低冷却复杂性和冷却成本,二是3倍增加氮化镓晶体管的面功率密度。


由于对冷却剂温度的要求并不严格,所以当热变电阻下降时可以降低冷却复杂性和冷却成本。这不仅可以为更简单的、更便宜的热管理系统创造机会,还能允许冷却剂(器件运行)温度升高,原因是该升高的温度高于冷却剂至栅极之间的温升。


随着金刚石基氮化镓热变电阻的降低,面功率密度可能会有所增加,这是由于梳形栅场分离缩小了三分之一,由此将导致产生体积更小、价格更为低廉的金刚石基氮化镓器件。假设金刚石基氮化镓晶片比SiC基氮化镓晶片有价格优势,则对于功率放大器芯片制造商来说,加工体积比SiC基氮化镓变体小三倍的金刚石基氮化镓晶片并且保持总RF输出功率不变,可以大幅度降低成本。这着实令人瞩目,为金刚石基氮化镓技术在系统性能和成本方面提供巨大好处创造机会,使金刚石基氮化镓成为下一代HEMT的理想选择。


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