一種新型復合SiC-金剛石襯底與GaN器件結合的新工藝流程和制備方案

金剛石材料具有自然界物質(zhì)中最高的熱導率（高達2000 W/m·K），在大功率激光器、微波器件和集成電路等小型化高功率領域的散熱均有重要的應用潛力。特別是面向高功率密度GaN HMET的散熱管理需求，金剛石材料被視為GaN HEMT功率器件熱擴散材料的最佳選擇，有望改善其“自熱效應”，實現(xiàn)高頻、高功率的應用。金剛石-GaN材料制備、結構設計、器件制備和熱電等特性測試已成為凝聚態(tài)物理、材料科學、表面/界面科學與半導體等領域的交叉研究熱點。

山東大學新一代半導體材料研究院徐現(xiàn)剛、彭燕、胡秀飛、葛磊等集合材料、器件團隊優(yōu)勢，提出新型復合SiC-金剛石襯底與GaN器件結合的新工藝流程和制備方案，通過系列工作解決了異質(zhì)界面多晶成核的問題，實現(xiàn)了在4H-SiC襯底上直接生長多晶金剛石；構建理模型獲得了SiC襯底減薄至最佳厚度的方案，制備出由200 μm 4H-SiC和200 μm金剛石組成的Diamond-SiC復合基板；兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技術，在金剛石-SiC復合襯底上制備高質(zhì)量的GaN外延薄膜，并制備出高性能器件。

與現(xiàn)階段的GaN-on-SiC工藝相比，改進結構的GaN器件表面溫度和熱阻均有明顯降低。在Tb?=?25 ℃時，GaN-on-diamond/SiC器件在20 V時功耗增加了19 %，熱阻降低了41?%，表面溫度降低了33%。在Tb?=?70 ℃高溫下，功耗增加了11?%，熱阻降低了31?%，表面溫度降低了26%。

研究工作提出了利用SiC的結構優(yōu)勢和金剛石的超強導熱性能，構建GaN基器件的高效散熱襯底的新方案，并在材料生長及機理、理論模擬和器件性能提升做了深入研究，證實了金剛石/ SiC復合襯底在高溫下具有穩(wěn)定的輸出特性和可靠性，為解決GaN高功率密度下的自熱問題提供了新思路，為下一代大功率器件熱管理提供了新策略。

圖1.金剛石-SiC-GaN制備流程

圖2 Tb= 25 °C 時金剛石-SiC復合襯底和SiC襯底上的GaN器件的I-V曲線

圖3 Tb=25 °C時器件表面溫度與耗散功率的關系

圖相同耗散功率(Pdiss= 7.2 W mm-1)下，Tb= 25 °C時器件的熱像圖：(a) GaN-on-SiC；(b) GaN-on-diamond/SiC。

相關論文發(fā)表在Carbon雜志期刊上，山東大學博士研究生胡秀飛為文章的第一作者，彭燕、葛磊和徐現(xiàn)剛為通訊作者。

作者簡介

胡秀飛，2019年9月至今，在山東大學新一代半導體材料研究院攻讀工學博士學位，材料科學與工程專業(yè)，從事半導體材料及器件相關研究工作。主要從事碳化硅/金剛石材料制備及其應用的研究，通過系列工作解決了異質(zhì)界面多晶成核的問題，完成新型復合SiC-金剛石材料材料生長和表征工作，兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技術，提出了與GaN器件結合的新工藝流程和制備方案，為解決GaN高功率密度下的自熱問題提供了新思路和新策略。

葛磊博士，2023年6月畢業(yè)于山東大學凝聚態(tài)物理學專業(yè)，獲理學博士學位。2023年6月至今，在山東大學新一代半導體材料研究院從事博士后研究工作。主要從事碳化硅/金剛石功率器件制備及其應用的研究，制備的高性能紫外探測器領域的金剛石MOSFET及MESFET器件；開拓了新型路線探索金剛石高熱導率解決氮化鎵器件散熱問題。

彭燕研究員，博士生導師。2011年06月畢業(yè)于山東大學晶體材料國家重點實驗室，獲理學博士學位。2017-2018年美國田納西大學訪學。入選2022年“仲英青年學者”獎勵計劃。重點研究SiC、金剛石材料及器件的制備、表征及應用研究。承擔/參與重點研發(fā)、973、核高基及自然科學基金項目等10余項，發(fā)表SCI論文40余篇，申請/授權專利30余項。

徐現(xiàn)剛教授，凝聚態(tài)物理、半導體材料學教授，博士生導師，現(xiàn)任山東大學新一代半導體材料研究院主任/晶體材料國家重點實驗室主任。獲教育部長江計劃特聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者，泰山學者特聘專家等榮譽稱號。主要研究方向?qū)捊麕С瑢捊麕О雽w材料及器件，半導體激光器等，在國內(nèi)外發(fā)表論文400余篇，被引4000余次。授權發(fā)明專利100余項。其主要研發(fā)的SiC襯底材料、半導體激光器技術是產(chǎn)學研結合的典范。

附：論文原文：http://www.casmita.com/file/upload/202401/04/093505831.pdf

審核編輯：劉清