用于下一代功率器件的金剛石基 GaN

由佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)實(shí)施了一系列基于室溫表面活化鍵合（SAB）的結(jié)果，以鍵合具有不同夾層厚度的 GaN 和單晶金剛石。新開發(fā)的技術(shù)最大限度地提高了氮化鎵性能，以實(shí)現(xiàn)更高功率的操作。

將 GaN 與其他材料集成在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。很難將金剛石和GaN與導(dǎo)熱界面和界面處的低應(yīng)力結(jié)合。該建模使GaN器件能夠充分利用單晶金剛石的高導(dǎo)熱性，從而為大功率解決方案實(shí)現(xiàn)出色的冷卻效果。由于其他標(biāo)準(zhǔn)過程中的熱膨脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度過程不會(huì)引起物理應(yīng)力問題。

介紹

電力電子行業(yè)已經(jīng)看到硅 MOSFET 達(dá)到的理論極限，現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)向新元件。氮化鎵（或 GaN）是一種寬帶隙、高電子遷移率半導(dǎo)體，已被證明是滿足新應(yīng)用的真正附加值?；?GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，是高壓和高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。

GaN 是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶（對(duì)應(yīng)于電子從價(jià)帶傳遞到導(dǎo)帶所需的能量）比硅中的禁帶寬得多：實(shí)際上，它約為 3.4 電子伏特，而 1.12硅的 eV。由于所需的能量如此之高，GaN 需要比硅更薄 10 倍的材料來阻擋特定電壓，從而使器件尺寸更加緊湊。GaN HEMT 更高的電子遷移率導(dǎo)致更快的開關(guān)速度，因?yàn)橥ǔＴ诮宇^中積累的電荷可以更快地分散。上升時(shí)間越快，漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 值越低，GaN 可實(shí)現(xiàn)的柵極和輸出電容降低，所有這些都有助于其低開關(guān)損耗和在比硅高 10 倍的開關(guān)頻率下工作的能力。減少功率損耗會(huì)帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的熱量產(chǎn)生和更簡(jiǎn)單的冷卻系統(tǒng)。

GaN 的性能和可靠性與通道上的溫度和焦耳熱效應(yīng)有關(guān)。集成到 GaN 中的 SiC 和金剛石等基板可以改善熱管理。這使得降低設(shè)備的工作溫度成為可能。對(duì)于 GaN-on-SiC 器件，溝道溫度降低 25 度將導(dǎo)致器件壽命增加約 10 倍。GaN 器件已廣泛應(yīng)用于光電子、射頻和汽車領(lǐng)域。

金剛石的熱導(dǎo)率是硅的 14 倍，電場(chǎng)電阻是其 30 倍。高導(dǎo)熱性允許熱量傳播。金剛石的帶隙為 5.47 eV，擊穿場(chǎng)為 10 MV/cm，電子遷移率為 2200 cm 2 Ns，熱導(dǎo)率約為 21 W/cmK。

佐治亞理工學(xué)院、明成大學(xué)和早稻田大學(xué)的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新技術(shù)允許將高導(dǎo)熱材料放置在更靠近氮化鎵有源器件區(qū)域的位置，從而最大限度地提高氮化鎵的性能，以實(shí)現(xiàn)更高的功率操作。金剛石基氮化鎵市場(chǎng)主要用于國(guó)防雷達(dá)和衛(wèi)星通信，目前5G基站的量產(chǎn)也在進(jìn)行中。

圖 1：GaN-On-Diamond 應(yīng)用概述 [Source Yole Développement (Yole)]

“GaN-on-Diamond 在設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)別提供了高導(dǎo)熱性、高電阻率和小尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。Yole Développement 的技術(shù)和市場(chǎng)分析師 Ezgi Dogmus 解釋說，這些優(yōu)勢(shì)使金剛石基 GaN 功率放大器器件對(duì)高功率射頻應(yīng)用非常有吸引力，例如商業(yè)基站、軍用雷達(dá)應(yīng)用以及衛(wèi)星通信和氣象雷達(dá)。他補(bǔ)充說：“這種創(chuàng)新的設(shè)備技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了十多年，預(yù)計(jì)未來幾年將由 RFHIC、Akash Systems 和三菱電機(jī)等領(lǐng)先的工業(yè)參與者進(jìn)行商業(yè)推廣?！?/p>

GaN 和金剛石特性

GaN 基 HEMT 的最大輸出功率受到溝道襯底高溫的限制，這會(huì)降低系統(tǒng)性能和可靠性。金剛石是目前導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料，通過與氮化鎵的集成，有助于消散通道附近產(chǎn)生的熱量。

“在 HEMT 器件工作期間，柵極附近的大電壓降會(huì)引起局部焦耳熱。加熱區(qū)域位于幾十納米范圍內(nèi)，從而產(chǎn)生超高的局部熱通量。GaN基HEMT的局部熱通量值可以達(dá)到太陽表面的10倍以上。適當(dāng)?shù)纳峒夹g(shù)，例如將金剛石盡可能靠近熱點(diǎn)，可以有效降低通道溫度，促進(jìn)器件穩(wěn)定性和壽命，”最近獲得佐治亞理工學(xué)院博士學(xué)位的鄭哲說。畢業(yè)論文第一作者，現(xiàn)為UIUC博士后。

目前使用的技術(shù)包括通過化學(xué)氣相 (CVD) 在 GaN 上直接生長(zhǎng)金剛石，并使用介電層作為保護(hù)層，因?yàn)榻饎偸L(zhǎng)過程中的等離子體會(huì)損壞 GaN。材料的熱阻與界面的結(jié)合被證明在熱流管理中起著關(guān)鍵作用，特別是對(duì)于開關(guān)電源的高頻應(yīng)用。CVD金剛石的生長(zhǎng)溫度在700℃以上。當(dāng)器件冷卻到室溫時(shí)，界面處的應(yīng)力會(huì)使晶片破裂。此外，粘附層增加了 GaN-金剛石界面的熱阻，這抵消了金剛石基板高導(dǎo)熱性的好處。

佐治亞理工學(xué)院、明成大學(xué)和早稻田大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提出的研究使用兩種改進(jìn)的 SAB 技術(shù)在室溫下將 GaN 與具有不同中間層的金剛石襯底結(jié)合。兩個(gè)待鍵合表面通過 Ar 離子束清潔和活化，在表面產(chǎn)生懸空鍵。然后在室溫下將兩個(gè)表面壓在一起。懸空鍵將在界面處形成共價(jià)鍵。在他們的工作中，在界面處添加了一些硅原子以增強(qiáng)界面鍵合?！敖Y(jié)合是在明成大學(xué)和早稻田大學(xué)（Fengwen Mu 和 Tadatomo Suga）完成的。然后在喬治亞理工學(xué)院（Zhe Cheng、Luke Yates 和 Samuel Graham）通過時(shí)域熱反射 (TDTR) 測(cè)量粘合界面。

TDTR 用于測(cè)量熱性能。材料表征可以通過高分辨率掃描電子顯微鏡 (HR-STEM) 和電子能量損失光譜 (EELS) 進(jìn)行。

時(shí)域熱反射 (TDTR)

時(shí)域熱反射 (TDTR) 是一種采用超快飛秒激光器的泵浦探測(cè)技術(shù)，可測(cè)量 GaN-金剛石界面的熱邊界電導(dǎo)。該技術(shù)使用在 1 到 12 MHz 之間調(diào)制的超快激光來控制熱穿透深度。與泵浦脈沖相比，探針脈沖延遲 0.1 到 7 ns，以允許在這段時(shí)間內(nèi)測(cè)量相對(duì)表面溫度的衰減。鎖定放大器允許提取由光電探測(cè)器拾取的讀取信號(hào)。溫度變化是通過薄金屬換能器 (50-100 nm) 的反射率變化來測(cè)量的。該系統(tǒng)能夠測(cè)量 0.1 到 1000 W/mK 之間的熱導(dǎo)率和 2 到 500 m2-K/G 之間的熱邊界電阻。使用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器。

制造和測(cè)試

在佐治亞理工學(xué)院和明成大學(xué)提出的這項(xiàng)研究中，通過在界面處添加一些硅原子來幫助 GaN 與金剛石結(jié)合，以幫助界面的化學(xué)粘附并降低熱接觸傳導(dǎo)。熱邊界傳導(dǎo)（或 TBC）描述了固體-固體界面之間的熱傳導(dǎo)。相關(guān)系數(shù)是指示跨界面?zhèn)鲗?dǎo)熱量的能力的屬性。

該團(tuán)隊(duì)使用了兩個(gè)樣本。第一個(gè)樣品由結(jié)合在商業(yè)單晶金剛石襯底（通過 CVD 生長(zhǎng)）上的薄層 GaN（~700 nm）組成，Si 夾層厚度約為 10 nm。另一個(gè)樣品在通過高壓高溫法 (HPHT) 生長(zhǎng)的商用單晶金剛石襯底上結(jié)合了約 1.88 微米厚的 GaN。GaN 的厚度被拋光到足夠薄以進(jìn)行 TDTR 測(cè)量（圖 2-4）。

使用以下樣品結(jié)構(gòu)，測(cè)量了無 GaN 區(qū)域上的單個(gè)結(jié)晶金剛石襯底的熱導(dǎo)率。然后對(duì)具有 GaN 層的區(qū)域進(jìn)行 TDTR 測(cè)量，以測(cè)量 GaN-金剛石結(jié)構(gòu)的 TBC。

“測(cè)得的金剛石基板的熱導(dǎo)率被用作調(diào)整 TDTR 數(shù)據(jù)的已知參數(shù)，以在 GaN 層上方測(cè)量時(shí)提取 TBC。總體而言，存在三個(gè)未知參數(shù)：Al-GaN TBC、GaN 熱導(dǎo)率和 GaN-金剛石 TBC。TDTR 是一種測(cè)量納米結(jié)構(gòu)材料和塊狀材料的熱性能的技術(shù)。一束調(diào)制激光束加熱樣品表面，而另一束延遲光束通過熱反射檢測(cè)表面溫度的變化，并由光電探測(cè)器捕獲”，鄭哲說。

圖 2：(a) 金剛石和結(jié)合的 GaN-金剛石樣品的 TDTR 測(cè)量值。(b) 三個(gè)未知參數(shù)的 TDTR 靈敏度。(c) 室溫下調(diào)制頻率為 2.2 MHz 的 Samp2 TDTR 數(shù)據(jù)擬合
[來源：科學(xué)文章]

圖 3：（ab）樣品 1 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。（cd）樣品 2 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。[來源：科學(xué)文章]

圖 4：測(cè)試測(cè)量期間團(tuán)隊(duì)的一部分，Zhe Cheng 和 Sam Graham

審核編輯 黃昊宇