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金刚石和GaN-on-SiC之间的低边界热阻,可实现射频器件冷却

发表时间:2021-12-17 09:56作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

5G及未来网络的实施需要速度更快、性能和能效更高的半导体器件,这只有使用能够支持更高频率的材料才能实现。可以提供高频和高功率的氮化镓 (GaN) 功率放大器对于 5G 及未来的技术至关重要,这些应用的高功率输出会带来严峻的散热挑战。由于器件自热限制了 GaN 的性能,因此使用金刚石作为GaN 器件冷却的散热器(即GaN on Diamond)已经获得了显著青睐。然而,在 GaN 器件上集成多晶金刚石的重大挑战之一是既保持器件本身性能,同时又实现低金刚石/GaN 通道边界热阻。


斯坦福大学电气工程系Srabanti Chowdhury研究组以“Record-Low Thermal Boundary Resistance between Diamond and GaN-on-SiC for Enabling Radiofrequency Device Cooling”为题在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表研究成果,在这项研究中,研究人员在金刚石/Si3N4/GaN 界面处创纪录的实现了迄今为止最接近理论预测的约 3.1±0.7 m2K/GW 的低边界热阻。金刚石集成在 GaN 沟道层约 1nm 内,且不会降低沟道的电性能。此外,成功地实现了金刚石层中的残余应力最小化,这使多晶金刚石可以在厚度 >2μm 和横向晶粒尺寸~1.9μm 的 GaN上生长更加各向同性,更多的各向同性晶粒可以有效地在垂直和横向两个方向传播热量;使用瞬态热反射法,测得晶粒的热导率为 638±48 W/mK。

N-极性 GaN HEMT 结构的横截面示意图,显示了金刚石集成所涉及的多层结构及其界面热阻。


基于瞬态热反射拟合的热特性。


不同比例的成核层厚度和Si3N4 层剩余厚度STEM图。


样品STEM和EDS分析图,成核层为30 nm,且Si3N4<1nm(成核参数:微波功率600W、压力20Torr、CH4 5% 和10min成核时间)。

暴露在(a)高密度和(b)低密度等离子体下的两个不同厚度Si3N4样品的EELS和STEM分析。


多晶金刚石在GaN HEMTs上生长的SEM图。(a) GaN HEMT/sapphire 生长后残余应力过大导致金刚石分层。(b)由于GaN HEMT/SiC的应力补偿,金刚石没有分层。(c) 1100W、30Torr和~ 700℃下的低密度等离子体生长,表明嵌入截面图中晶粒相对较小,呈柱状结构。(d−f)在1800W, 70Torr,~ 700℃条件下高密度等离子体生长,结果显示2μm金刚石具有更多的各向同性晶粒。


基于 (a) sapphire和 (b) SiC 衬底,在N-极性 GaN/AlGaN HEMT上CVD法生长金刚石的拉曼光谱。


3N4 厚度的金刚石/Si3N4/GaN TBR,可作为使用 TTR 方法测量的金刚石层厚度的函数。金刚石和 GaN 之间具有 <1nm 的Si3N4 样品测得的 TBR 接近文献中计算的上限。


金刚石(散热器)和 GaN(半导体通道)两种宽带隙材料的集成,当彼此靠近放置时,可以释放 GaN 在高功率密度下提供高频的巨大潜力。然而,这两种材料的集成涉及严酷的 H2-等离子体生长环境,会分解 GaN 沟道并降低器件性能。研究者们提供了一种将金刚石集成到 GaN HEMT 结构的~1nm范围内、且不会降低器件性能的方法,对H2-等离子体环境下Si3N4 蚀刻以及碳扩散到 Si3N4 层中实现了出色的控制。等离子体密度以及生长表面温度决定了碳扩散到 Si3N4 中的深度。即使在沟道附近放置相对较厚的金刚石,也能够保证包括通道迁移率和片状载流子浓度等器件性能参数。集成在GaN通道顶部的 2μm 厚金刚石显示出~650 W/mK 热导率和非常低的~3.1m2K/GW 的边界热阻。这项研究证明了,通过提供极低的通道热阻来散热到外部散热器,是一种缓解GaN功率放大器热管理挑战的有效方法。


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。我们仍将持续科技创新,争当科技进步的驱动者和贡献者,让前沿技术助力相关应用领域腾飞发展。


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