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金剛石基氮化鎵將在下一代功率器件中大展拳腳
閱讀：156 發(fā)布時(shí)間：2022-3-20氮化鎵（GaN）現(xiàn)在很火。而更火的是，為了進(jìn)一步提高GaN的性能，不同廠商競(jìng)相將GaN與其他材料集成在一起。
“無(wú)論是在器件級(jí)還是系統(tǒng)級(jí)，金剛石基氮化鎵都可以提供高導(dǎo)熱率、高電阻率和小尺寸。因此，對(duì)商用基站、雷達(dá)、衛(wèi)星通信和氣象雷達(dá)等高功率RF應(yīng)用而言，金剛石基氮化鎵功率放大器都吸引力。"Yole Développement技術(shù)與市場(chǎng)分析師Ezgi Dogmus解釋說(shuō)，“十多年來(lái)這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)一直在開發(fā)中，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，RFHIC、Akash Systems和三菱電機(jī)等業(yè)界廠商會(huì)將其投入商用。"
由佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程系帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在室溫下采用表面活化鍵合（SAB）方法，通過(guò)不同厚度的中間層，將GaN的單晶金剛石鍵合，得到了一系列結(jié)果。這種新技術(shù)可使GaN達(dá)到性能，從而用于功率要求更高的場(chǎng)合。
要將GaN與其他材料集成起來(lái)，在技術(shù)上仍具挑戰(zhàn)。利用導(dǎo)熱界面和在界面處施加低應(yīng)力來(lái)鍵合金剛石和GaN非常困難，但這種方法使GaN器件可以充分利用單晶金剛石的高導(dǎo)熱性，從而為大功率應(yīng)用提供出色的冷卻效果。由于采用常溫工藝，因此不會(huì)像其他標(biāo)準(zhǔn)工藝那樣因熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生物理應(yīng)力問(wèn)題。
MOSFET已達(dá)極限
在電力電子行業(yè)，硅MOSFET的性能已經(jīng)達(dá)到了理論極限，現(xiàn)在急需新的技術(shù)。GaN是一種具有寬帶隙及高電子遷移率的半導(dǎo)體，已被證明能夠滿足新應(yīng)用。基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）器件具有出色的電氣特性，是替代高壓和高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中MOSFET和IGBT的理想器件。
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GaN是一種寬禁帶材料，其禁帶（電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多，具體地說(shuō)，GaN的禁帶大約為3.4eV，而硅的禁帶為1.12eV。由于所需的能量較高，GaN阻擋特定電壓所需的材料比硅要薄10倍，使器件尺寸更小。GaN HEMT的電子遷移率越高，開關(guān)速度就越快，因?yàn)榫鄯e在異質(zhì)結(jié)界面的電荷可以更快地散去。
GaN具有更快的上升時(shí)間、更低的漏源導(dǎo)通電阻（RDS(on)）以及更小的柵極和輸出電容，這些都有助于降低開關(guān)損耗，并能在比硅高10倍的開關(guān)頻率下工作。功耗減少帶來(lái)諸多好處，例如功率分配更高效、產(chǎn)生的熱量更少、冷卻系統(tǒng)更簡(jiǎn)單。
GaN的性能和可靠性與溝道溫度和焦耳熱效應(yīng)有關(guān)。集成到GaN的SiC和金剛石等襯底可以改善熱管理，從而降低器件的工作溫度。對(duì)于SiC基GaN器件，溝道溫度降低25度，器件壽命將延長(zhǎng)約10倍。
金剛石的導(dǎo)熱率比硅高14倍，而電場(chǎng)電阻則高30倍。由于導(dǎo)熱率高，因此熱傳導(dǎo)性好。金剛石的帶隙為5.47eV，擊穿場(chǎng)強(qiáng)為10MV/cm，電子遷移率為2200cm2/Vs，導(dǎo)熱率約為21W/cmK。
由佐治亞理工大學(xué)、明星大學(xué)和早稻田大學(xué)組成的一個(gè)合作開發(fā)團(tuán)隊(duì)展示了一種新技術(shù)，可讓具有高導(dǎo)熱率的材料更加靠近有源器件中氮化鎵的區(qū)域，從而限度地提高大功率應(yīng)用中氮化鎵的性能。
GaN器件已廣泛用于光電子、RF和汽車領(lǐng)域。金剛石基GaN的主要市場(chǎng)則是防御雷達(dá)和衛(wèi)星通信，目前也已開始針對(duì)5G基站應(yīng)用進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
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GaN和金剛石特性
當(dāng)GaN基HEMT的溝道襯底溫度較高時(shí)，其輸出功率就會(huì)受到影響，從而降低系統(tǒng)性能和可靠性。金剛石是目前導(dǎo)熱率的材料，通過(guò)與GaN集成，可以幫助散去溝道附近產(chǎn)生的熱。
HEMT器件工作時(shí)，如果柵極附近出現(xiàn)大的壓降，就會(huì)引起局部焦耳熱。發(fā)熱區(qū)域在幾十納米范圍以內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致局部熱通量超高。GaN基HEMT的局部熱通量值可能比太陽(yáng)表面的熱通量值大10倍。有效的散熱技術(shù)，例如將金剛石的位置盡可能靠近發(fā)熱區(qū)域，可以有效降低溝道溫度，從而增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)器件壽命。
目前使用的技術(shù)包括通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）在GaN上直接生長(zhǎng)金剛石，利用介電層作為保護(hù)層，因?yàn)樵诮饎偸纳L(zhǎng)過(guò)程中等離子體會(huì)損壞GaN。材料及界面的熱阻在熱流量管理中起著舉足輕重的作用，特別是對(duì)于高頻開關(guān)電源應(yīng)用。CVD金剛石的生長(zhǎng)溫度高于700℃，當(dāng)器件冷卻至室溫時(shí)，界面上產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使晶片破裂。另外，粘合層增加了GaN-金剛石界面的熱阻，這會(huì)削弱金剛石襯底高導(dǎo)熱率帶來(lái)的好處。
佐治亞理工學(xué)院、明星大學(xué)和早稻田大學(xué)合作研究小組采用兩種改進(jìn)的SAB技術(shù)，通過(guò)不同的中間層，在室溫下將GaN與金剛石襯底鍵合在一起。利用氬離子束對(duì)兩個(gè)待鍵合的表面進(jìn)行清潔和活化，在其表面產(chǎn)生懸空鍵，然后在室溫下將兩個(gè)表面壓在一起，懸空鍵將在界面上形成共價(jià)鍵。研究小組在界面上添加了一些硅原子，以增強(qiáng)界面的鍵合。
佐治亞理工學(xué)院的Zhe Cheng博士說(shuō)：“鍵合是在明星大學(xué)和早稻田大學(xué)（Fengwen Mu和Tadatomo Suga）完成的，然后在佐治亞理工學(xué)院（Zhe Cheng、Luke Yates和Samuel Graham）利用時(shí)域熱反射法（TDTR）來(lái)測(cè)量鍵合界面。佐治亞理工學(xué)院還完成了相關(guān)的熱建模，用來(lái)評(píng)估鍵合界面對(duì)GaN器件的影響。"
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TDTR用于測(cè)量熱性能。利用高分辨率掃描電子顯微鏡（HR-STEM）和電子能量損失譜（EELS）可以完成材料表征。
時(shí)域熱反射測(cè)量系統(tǒng)（TDTR）
時(shí)域熱反射測(cè)量系統(tǒng)（TDTR）采用超快飛秒激光泵浦探測(cè)技術(shù)，利用1至12MHz的調(diào)制超快激光來(lái)控制熱穿透深度，可以測(cè)量GaN-金剛石界面的邊界熱傳導(dǎo)。與泵浦脈沖相比，探測(cè)脈沖延遲了0.1到7ns，因而可以測(cè)量相對(duì)表面溫度的衰減。鎖相放大器可提取光電探測(cè)器檢測(cè)到的讀信號(hào)。溫度變化是根據(jù)薄金屬換能器（50~100nm）反射率的變化來(lái)測(cè)量的。該系統(tǒng)能測(cè)量0.1~1000W/m-K的導(dǎo)熱率和2~500m2-K/G的熱邊界電阻，還使用了鈦寶石飛秒激光器。
制造與測(cè)試
佐治亞理工大學(xué)和明星大學(xué)將GaN與金剛石鍵合時(shí)，在界面上添加了一些硅原子來(lái)增強(qiáng)界面的化學(xué)粘合，這降低了接觸面的熱傳導(dǎo)。邊界導(dǎo)熱率（TBC）描述了固-固界面之間的熱傳導(dǎo)，相應(yīng)系數(shù)則表示通過(guò)界面?zhèn)鲗?dǎo)熱量的能力。
開發(fā)團(tuán)隊(duì)使用了兩個(gè)樣本。個(gè)樣本包含一個(gè)GaN薄層（約700nm），它與商用單晶金剛石襯底結(jié)合在一起（通過(guò)CVD方法生長(zhǎng)），有一個(gè)厚度約10nm的硅中間層。另一個(gè)樣本包含一個(gè)厚度約1.88μm的GaN層，它與商用單晶金剛石襯底鍵合在一起（通過(guò)高壓高溫方法生長(zhǎng)）。打磨GaN，讓它變得足夠薄，以便進(jìn)行TDTR測(cè)量（和）。
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使用所示的樣本結(jié)構(gòu)，首先測(cè)量不帶GaN層（中右邊區(qū)域）的單晶金剛石襯底的導(dǎo)熱率。然后，在帶GaN層的區(qū)域進(jìn)行TDTR測(cè)量，得到GaN-金剛石結(jié)構(gòu)的TBC。
Zhe Cheng說(shuō)：“在GaN層上方進(jìn)行測(cè)量時(shí)，之前測(cè)得的金剛石襯底導(dǎo)熱率作為已知參數(shù)補(bǔ)充TDTR數(shù)據(jù)，得到TBC。總的來(lái)看，未知參數(shù)有三個(gè)：Al-GaN TBC、GaN導(dǎo)熱率和GaN-金剛石TBC。TDTR是用于測(cè)量納米結(jié)構(gòu)和塊體材料熱性能的技術(shù)。用一束調(diào)制激光使樣本表面發(fā)熱，另一束光稍后通過(guò)熱反射來(lái)檢測(cè)表面溫度的變化，并由光電探測(cè)器捕獲。"
科學(xué)文獻(xiàn)中報(bào)道的GaN-金剛石界面的TBC測(cè)量值較高，而且會(huì)受中間層厚度的影響。由于界面無(wú)序而且有缺陷，GaN-金剛石表現(xiàn)出弱溫度依賴性。該器件的建模顯示出它具有較大的GaN-金剛石TBC（>50MW/m2-K），因而可以充分利用單晶金剛石的高導(dǎo)熱率。其應(yīng)用范圍涵蓋國(guó)防（雷達(dá)和衛(wèi)星通信）和商業(yè)（能源基礎(chǔ)設(shè)施、自動(dòng)汽車和5G基站）。
（原文刊登于ASPENCORE旗下EEtimes英文網(wǎng)站，參考鏈接：GaN-on-Diamond For Next Power Devices。）
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