设为首页 | 收藏本站

GaN-on-Diamond下一代功率器件

发表时间:2021-12-16 14:39作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

电力电子行业已经看到了硅MOSFET达到的理论性能极限,现在需要转向一个新的元素。甘是一种宽禁带,高电子迁移率的半导体,已被证明是一个真正的附加值,以满足新的应用。基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有优良的电特性,是mosfet和igbt在高压和高开关频率电机控制应用中的良好替代品。


作为研究一种宽禁带材料,GaN的禁带(相当于一个电子从价带之间传递到导带所需的能量)比硅的禁带宽严重得多:事实上,它大约是3.4电子伏,而硅的禁带是1.12电子伏。由于我们这一具有高能量物质需求,GaN需要比硅薄10倍的材料来阻挡中国特定的电压,从而使这些器件结构尺寸进行更加简单紧凑。GaN-HEMT的高电子迁移率不同导致了更高的开关发展速度,因为他们通常积聚在接头中的电荷分析可以更快地实现分散。


GaN具有较快的上升时间、较低的漏源导通电阻(RDS(ON))值、较低的栅极和输出电容,这些都使得GaN具有较低的开关损耗和工作在比硅高10倍的开关频率的能力。


GaN on Diamond是什么?

GaN的性能和可靠性与沟道上的温度和焦耳热效应有关。集成到GaN中的SiC和金刚石等衬底可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。对于GaN-on-SiC器件,沟道温度降低25度将使器件寿命提高10倍左右。


金刚石的导热系数是硅的14倍,电场电阻是硅的30倍。高导热性允许热量扩散。金刚石的带隙为5.47ev,击穿场强为10mv/cm,电子迁移率为2200cm2其导热系数约为21w/cmK。佐治亚理工学院、美世大学和早稻田大学的研究团队提出的这项新技术允许将高导热材料放置在更靠近氮化镓有源器件的区域,从而使氮化镓在更高功率操作下的性能最大化。


当今社会对更强大的电子设备的需求受到我们生产高导电半导体的能力的限制,这些半导体可以承受高功率设备的严酷高温制造过程。   


GaN-on-diamond显示出作为下一代半导体材料的前景,因为这两种材料的禁带宽度都很宽,可实现高导电性和金刚石的高导热性,将其定位为卓越的散热基板。已经尝试通过将两种成分与某种形式的过渡层或粘附层结合来创建diamond上的 GaN 结构,但在这两种情况下,附加层都显着影响了diamond的热导率——破坏了GaN-diamond的一个关键优势组合。


“因此,需要一种可以直接集成diamond和 GaN 的技术,”大阪市立大学 (OCU) 工程研究生院副教授兼该研究的研究人员Jianbo Liang说,“但是,由于晶体结构和晶格常数的巨大差异,在 GaN 上直接生长diamond是不可能的,反之亦然。”

无需任何中间层即可将两个元件熔合在一起,称为晶圆直接键合,是解决这种不匹配问题的一种方法。然而,为了产生足够高的粘合强度,许多直接粘合方法需要在称为后退火工艺的过程中将结构加热到极高的温度(通常为 500 摄氏度)。由于热膨胀失配,这通常会导致不同材料的粘合样品出现裂纹——这一次,GaN-diamond结构在制造过程中经历的极高温度下无法幸存。


来自东北大学、佐贺大学和 Adamant Namiki Precision Jewel 的 Liang、Shigekawa 和他们的同事。他们使用 SAB 方法成功键合 GaN 和diamond,并证明即使加热到 1000 摄氏度也能稳定键合。

热门文章

2022

05-18

发光二极管(LED)与传统的白炽灯相比具有驱动电压低、节能、高稳定度、响应时间短、不含有害的金属汞等优点。美国等国家对LED照明效益进行了预测,美国55%白炽灯及55%的日光灯将被LED取代‚每年可节省350亿美元电费,减少7.55亿吨二氧化碳排放量。然而LED的的发光功率较低,通常每组信号灯需由300~500只二极管构成,如果能低成本制备出高功率的LED将更有利于LED 的广泛使用。据称高...

2022

05-17

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...

2022

05-16

用于热沉领域的金刚石薄膜的必须具有高热导率,这就要求制备的金刚石薄膜纯净,缺陷少,面积大,同时还要求有较高的生长速率以降低生产成本。采用具有等离子体密度高、无放电电极污染、控制性好等优点的微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法,是工业上制备热沉金刚石的理想方法。MPCVD沉积装置不仅能沉积高纯度的金刚石膜,沉积速率也可以通过增大微波功率来提高。用5KW 微波功率的MPCVD,可以以10μm...

2022

05-15

随着半导体器件功率密度的不断攀升,对热管理材料热导率提出了更高要求,具有超高热导率的第四代封装材料金属/金刚石开始进入了人们的视野,产业化趋势明朗。近年来,以金刚石为代表的高性能热沉衬底材料,正朝着高散热性能、低热膨胀、高强韧、超薄等方向快速发展,有望突破国家重大战略需求如航天、电子通讯及器件等领域的技术发展中面临的高功率电子器件散热瓶颈问题。电子封装产业链结构尤其是宽禁带半导体器件、高功率...

2022

05-14

众所周知,大功率二极管泵浦固体激光器应用广泛,在工业加工领域主要有激光切割、打磨、焊接;在国产航空母舰、护卫舰、潜水艇等船舶的建造过程中,使用大功率激光技术对复杂形状的厚钢板进行切割焊接;军事领域主要应用在激光武器上,如激光导弹、激光扫雷战车、大功率激光炮;在科学研究、医疗手术、居家娱乐、生物化学、太空探索等领域,都具有极高的实用价值。但激光二极管泵浦的固体激光器的热效应问题严重影响了激光器...

2022

05-13

随着无线通信和雷达等系统的工作频率向毫米波频段扩展,传统半导体材料无法满足毫米波新兴系统对功率放大器件在输出功率、效率、工作带宽和热稳定性等方面的要求。而GaN 材料在工艺成熟度和制备成本上有更大的优势,GaN 功率器件和射频器件成为了雷达、电子战和第五代移动通信(5G)等系统在毫米波频段重要的功率放大器件。理论上,GaN 功率器件的输出功率密度可达40 W / mm 以上,但是由于现阶段因...
新闻中心
>行业动态


产品中心
>金刚石热沉片
>金刚石氮化镓
>氮化铝薄膜
>压电氮化铝薄膜

联系我们
>联系我们


E-mail:sales@csmc. tech Telephone:0086-13859969306
厦门总部:福建省厦门市集美区灌口大道253号
韩国分公司:Changchundoing Shinchon-ro 2nd floor
2108 ho Seodaemoon-gu Seoul, Korea
上海办事处:上海市嘉定区浏翔公路955号小美科技园5号楼407室

点击这里给我发消息