日本富士通公司深度解析氮化鎵高電子遷移率晶體管

12月6日至9日美國(guó)加利福尼亞州的IEEE半導(dǎo)體接口專家會(huì)議（SISC2017）上，日本富士通公司及其子公司富士通實(shí)驗(yàn)室公司（Fujitsu Laboratories Ltd）介紹了據(jù)稱是第一個(gè)室溫下實(shí)現(xiàn)單晶金剛石和碳化硅（SiC）襯底焊接，關(guān)鍵是這兩者都是硬質(zhì)材料，但具有不同的熱膨脹系數(shù)。

使用這種技術(shù)散熱可以高效率地冷卻高功率氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT），從而使功率放大器在高功率水平下穩(wěn)定工作。

近年來(lái)，高頻GaN-HEMT功率放大器已被廣泛用于雷達(dá)和無(wú)線通信等遠(yuǎn)程無(wú)線電領(lǐng)域，預(yù)計(jì)還將用于天氣雷達(dá)觀測(cè)局部暴雨，或者即將出現(xiàn)的5G毫米波段移動(dòng)通信協(xié)議。對(duì)于這些使用微波到毫米波頻段雷達(dá)或無(wú)線通信系統(tǒng)，通過提高用于傳輸?shù)腉aN-HEMT功率放大器的輸出功率，無(wú)線電波能夠傳播的距離將增大，可擴(kuò)展雷達(dá)觀測(cè)范圍，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)和更高容量的通信。

圖1傳統(tǒng)GaN HEMT功率放大器

圖1中，GaN HEMT功率放大器的一些輸入功率會(huì)轉(zhuǎn)化成熱量，然后分散到SiC沉底。由于提高雷達(dá)和無(wú)線通信的射程和功率也增加了器件產(chǎn)生的熱量，這對(duì)其性能和可靠性產(chǎn)生不利影響，因此需要將器件熱量有效地傳輸?shù)嚼鋮s結(jié)構(gòu)（散熱片）。

盡管SiC襯底具有相對(duì)較高的導(dǎo)熱率，但是對(duì)于具有越來(lái)越高的功率輸出的器件而言，需要具有更好的導(dǎo)熱率的材料以有效地將器件熱量運(yùn)送到冷卻結(jié)構(gòu)。 單晶金剛石具有非常好的導(dǎo)熱性-幾乎是SiC襯底的5倍 - 被稱為可以有效散熱的材料。

為了將單晶金剛石鍵合到作為冷卻材料的器件上，正常的生產(chǎn)過程使用氬（Ar）束去除雜質(zhì)，但這會(huì)在表面形成低密度的受損層，這會(huì)削弱單晶金剛石可能形成的鍵合。此外，使用諸如氮化硅（SiN）的絕緣膜用于鍵合，由于SiN存在熱阻會(huì)削弱導(dǎo)熱性。

為了防止Ar束在金剛石表面形成損傷層，富士通開發(fā)了一種技術(shù)，在暴露于Ar束之前用極薄的金屬膜保護(hù)表面（見圖2）。 為了確保表面是平面的（為了在室溫下良好的鍵合），金屬膜的厚度需限制在10nm或更薄。

圖2與金剛石鍵合的GaN HEMT功率放大器結(jié)構(gòu)

這種技術(shù)被證實(shí)可以防止Ar束暴露后在金剛石表面形成損傷層（圖3），從而提高了鍵合強(qiáng)度，從而使得單晶金剛石在室溫下與SiC襯底鍵合。

圖3 Ar束暴露后的金剛石截面

在室溫下測(cè)量了粘樣品的熱阻，發(fā)現(xiàn)SiC /金剛石界面的熱阻極低，為6.7×10-8m2K/W。使用這一測(cè)量參數(shù)進(jìn)行的仿真表明，該技術(shù)將顯著降低200W級(jí)GaN-HEMT器件的熱阻，降至現(xiàn)有器件的61％（相當(dāng)于表面溫度降低80°C），見圖4。

圖4 200W級(jí)GaN HEMT功率放大器仿真對(duì)比

因此這種技術(shù)可以用于生產(chǎn)具有更高輸出功率發(fā)射器的GaN-HEMT功率放大器。 當(dāng)用于天氣雷達(dá)等系統(tǒng)時(shí)，用于發(fā)射器的GaN-HEMT功率放大器可望將雷達(dá)的可觀測(cè)范圍提高1.5倍，這樣可以更快地檢測(cè)到能夠產(chǎn)生突然暴雨的積雨云，從而為災(zāi)難做好準(zhǔn)備。

富士通計(jì)劃利用該技術(shù)評(píng)估GaN-HEMT的熱阻和輸出性能，并計(jì)劃在2020年將其應(yīng)用于高輸出、高頻功率放大器，應(yīng)用于氣象雷達(dá)和5G無(wú)線通信系統(tǒng)。

該研究獲得了日本防務(wù)省采購(gòu)、技術(shù)與后勤局（ALTA）設(shè)置的“安全創(chuàng)新科技計(jì)劃”（the Innovative Science and Technology Initiative for Security）。

這項(xiàng)研究部分得到了日本國(guó)防部收購(gòu)，技術(shù)和后勤局（ALTA）設(shè)立的創(chuàng)新科技安全倡議的支持。