用于下一代功率器件的金刚石基 GaN

由佐治亚理工学院机械工程学院领导的一个团队实施了一系列基于室温表面活化键合（SAB）的结果，以键合具有不同夹层厚度的 GaN 和单晶金刚石。新开发的技术最大限度地提高了氮化镓性能，以实现更高功率的操作。

将 GaN 与其他材料集成在技术上具有挑战性。很难将金刚石和GaN与导热界面和界面处的低应力结合。该建模使GaN器件能够充分利用单晶金刚石的高导热性，从而为大功率解决方案实现出色的冷却效果。由于其他标准过程中的热膨胀系数不同，环境温度过程不会引起物理应力问题。

介绍

电力电子行业已经看到硅 MOSFET 达到的理论极限，现在需要转向新元件。氮化镓（或 GaN）是一种宽带隙、高电子迁移率半导体，已被证明是满足新应用的真正附加值。基于 GaN 的高电子迁移率晶体管 (HEMT) 器件具有卓越的电气特性，是高压和高开关频率电机控制应用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。

GaN 是一种宽带隙 (WBG) 材料。因此，它的禁带（对应于电子从价带传递到导带所需的能量）比硅中的禁带宽得多：实际上，它约为 3.4 电子伏特，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 倍的材料来阻挡特定电压，从而使器件尺寸更加紧凑。GaN HEMT 更高的电子迁移率导致更快的开关速度，因为通常在接头中积累的电荷可以更快地分散。上升时间越快，漏源导通电阻 (RDS(on)) 值越低，GaN 可实现的栅极和输出电容降低，所有这些都有助于其低开关损耗和在比硅高 10 倍的开关频率下工作的能力。减少功率损耗会带来额外的好处，例如更高效的配电、更少的热量产生和更简单的冷却系统。

GaN 的性能和可靠性与通道上的温度和焦耳热效应有关。集成到 GaN 中的 SiC 和金刚石等基板可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。对于 GaN-on-SiC 器件，沟道温度降低 25 度将导致器件寿命增加约 10 倍。GaN 器件已广泛应用于光电子、射频和汽车领域。

金刚石的热导率是硅的 14 倍，电场电阻是其 30 倍。高导热性允许热量传播。金刚石的带隙为 5.47 eV，击穿场为 10 MV/cm，电子迁移率为 2200 cm 2 Ns，热导率约为 21 W/cmK。

佐治亚理工学院、明成大学和早稻田大学的团队开发的新技术允许将高导热材料放置在更靠近氮化镓有源器件区域的位置，从而最大限度地提高氮化镓的性能，以实现更高的功率操作。金刚石基氮化镓市场主要用于国防雷达和卫星通信，目前5G基站的量产也在进行中。

图 1：GaN-On-Diamond 应用概述 [Source Yole Développement (Yole)]

“GaN-on-Diamond 在设备和系统级别提供了高导热性、高电阻率和小尺寸的关键参数。Yole Développement 的技术和市场分析师 Ezgi Dogmus 解释说，这些优势使金刚石基 GaN 功率放大器器件对高功率射频应用非常有吸引力，例如商业基站、军用雷达应用以及卫星通信和气象雷达。他补充说：“这种创新的设备技术已经开发了十多年，预计未来几年将由 RFHIC、Akash Systems 和三菱电机等领先的工业参与者进行商业推广。”

GaN 和金刚石特性

GaN 基 HEMT 的最大输出功率受到沟道衬底高温的限制，这会降低系统性能和可靠性。金刚石是目前导热系数最高的材料，通过与氮化镓的集成，有助于消散通道附近产生的热量。

“在 HEMT 器件工作期间，栅极附近的大电压降会引起局部焦耳热。加热区域位于几十纳米范围内，从而产生超高的局部热通量。GaN基HEMT的局部热通量值可以达到太阳表面的10倍以上。适当的散热技术，例如将金刚石尽可能靠近热点，可以有效降低通道温度，促进器件稳定性和寿命，”最近获得佐治亚理工学院博士学位的郑哲说。毕业论文第一作者，现为UIUC博士后。

目前使用的技术包括通过化学气相 (CVD) 在 GaN 上直接生长金刚石，并使用介电层作为保护层，因为金刚石生长过程中的等离子体会损坏 GaN。材料的热阻与界面的结合被证明在热流管理中起着关键作用，特别是对于开关电源的高频应用。CVD金刚石的生长温度在700℃以上。当器件冷却到室温时，界面处的应力会使晶片破裂。此外，粘附层增加了 GaN-金刚石界面的热阻，这抵消了金刚石基板高导热性的好处。

佐治亚理工学院、明成大学和早稻田大学的团队提出的研究使用两种改进的 SAB 技术在室温下将 GaN 与具有不同中间层的金刚石衬底结合。两个待键合表面通过 Ar 离子束清洁和活化，在表面产生悬空键。然后在室温下将两个表面压在一起。悬空键将在界面处形成共价键。在他们的工作中，在界面处添加了一些硅原子以增强界面键合。“结合是在明成大学和早稻田大学（Fengwen Mu 和 Tadatomo Suga）完成的。然后在乔治亚理工学院（Zhe Cheng、Luke Yates 和 Samuel Graham）通过时域热反射 (TDTR) 测量粘合界面。

TDTR 用于测量热性能。材料表征可以通过高分辨率扫描电子显微镜 (HR-STEM) 和电子能量损失光谱 (EELS) 进行。

时域热反射 (TDTR)

时域热反射 (TDTR) 是一种采用超快飞秒激光器的泵浦探测技术，可测量 GaN-金刚石界面的热边界电导。该技术使用在 1 到 12 MHz 之间调制的超快激光来控制热穿透深度。与泵浦脉冲相比，探针脉冲延迟 0.1 到 7 ns，以允许在这段时间内测量相对表面温度的衰减。锁定放大器允许提取由光电探测器拾取的读取信号。温度变化是通过薄金属换能器 (50-100 nm) 的反射率变化来测量的。该系统能够测量 0.1 到 1000 W/mK 之间的热导率和 2 到 500 m2-K/G 之间的热边界电阻。使用钛蓝宝石飞秒激光器。

制造和测试

在佐治亚理工学院和明成大学提出的这项研究中，通过在界面处添加一些硅原子来帮助 GaN 与金刚石结合，以帮助界面的化学粘附并降低热接触传导。热边界传导（或 TBC）描述了固体-固体界面之间的热传导。相关系数是指示跨界面传导热量的能力的属性。

该团队使用了两个样本。第一个样品由结合在商业单晶金刚石衬底（通过 CVD 生长）上的薄层 GaN（~700 nm）组成，Si 夹层厚度约为 10 nm。另一个样品在通过高压高温法 (HPHT) 生长的商用单晶金刚石衬底上结合了约 1.88 微米厚的 GaN。GaN 的厚度被抛光到足够薄以进行 TDTR 测量（图 2-4）。

使用以下样品结构，测量了无 GaN 区域上的单个结晶金刚石衬底的热导率。然后对具有 GaN 层的区域进行 TDTR 测量，以测量 GaN-金刚石结构的 TBC。

“测得的金刚石基板的热导率被用作调整 TDTR 数据的已知参数，以在 GaN 层上方测量时提取 TBC。总体而言，存在三个未知参数：Al-GaN TBC、GaN 热导率和 GaN-金刚石 TBC。TDTR 是一种测量纳米结构材料和块状材料的热性能的技术。一束调制激光束加热样品表面，而另一束延迟光束通过热反射检测表面温度的变化，并由光电探测器捕获”，郑哲说。

图 2：(a) 金刚石和结合的 GaN-金刚石样品的 TDTR 测量值。(b) 三个未知参数的 TDTR 灵敏度。(c) 室温下调制频率为 2.2 MHz 的 Samp2 TDTR 数据拟合
[来源：科学文章]

图 3：（ab）样品 1 的 GaN-金刚石界面的横截面图像。（cd）样品 2 的 GaN-金刚石界面的横截面图像。[来源：科学文章]

图 4：测试测量期间团队的一部分，Zhe Cheng 和 Sam Graham

审核编辑 黄昊宇