日本富士通公司深度解析氮化镓高电子迁移率晶体管

12月6日至9日美国加利福尼亚州的IEEE半导体接口专家会议（SISC2017）上，日本富士通公司及其子公司富士通实验室公司（Fujitsu Laboratories Ltd）介绍了据称是第一个室温下实现单晶金刚石和碳化硅（SiC）衬底焊接，关键是这两者都是硬质材料，但具有不同的热膨胀系数。

使用这种技术散热可以高效率地冷却高功率氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），从而使功率放大器在高功率水平下稳定工作。

传统GaN HEMT——SiC衬底散热

近年来，高频GaN-HEMT功率放大器已被广泛用于雷达和无线通信等远程无线电领域，预计还将用于天气雷达观测局部暴雨，或者即将出现的5G毫米波段移动通信协议。对于这些使用微波到毫米波频段雷达或无线通信系统，通过提高用于传输的GaN-HEMT功率放大器的输出功率，无线电波能够传播的距离将增大，可扩展雷达观测范围，实现更远和更高容量的通信。

图1传统GaN HEMT功率放大器

图1中，GaN HEMT功率放大器的一些输入功率会转化成热量，然后分散到SiC沉底。由于提高雷达和无线通信的射程和功率也增加了器件产生的热量，这对其性能和可靠性产生不利影响，因此需要将器件热量有效地传输到冷却结构（散热片）。

金刚石-SiC散热

尽管SiC衬底具有相对较高的导热率，但是对于具有越来越高的功率输出的器件而言，需要具有更好的导热率的材料以有效地将器件热量运送到冷却结构。 单晶金刚石具有非常好的导热性-几乎是SiC衬底的5倍 - 被称为可以有效散热的材料。

金刚石-SiC键合方法

为了将单晶金刚石键合到作为冷却材料的器件上，正常的生产过程使用氩（Ar）束去除杂质，但这会在表面形成低密度的受损层，这会削弱单晶金刚石可能形成的键合。此外，使用诸如氮化硅（SiN）的绝缘膜用于键合，由于SiN存在热阻会削弱导热性。

为了防止Ar束在金刚石表面形成损伤层，富士通开发了一种技术，在暴露于Ar束之前用极薄的金属膜保护表面（见图2）。 为了确保表面是平面的（为了在室温下良好的键合），金属膜的厚度需限制在10nm或更薄。

图2与金刚石键合的GaN HEMT功率放大器结构

这种技术被证实可以防止Ar束暴露后在金刚石表面形成损伤层（图3），从而提高了键合强度，从而使得单晶金刚石在室温下与SiC衬底键合。

图3 Ar束暴露后的金刚石截面

热阻测试结果

在室温下测量了粘样品的热阻，发现SiC /金刚石界面的热阻极低，为6.7×10-8m2K/W。使用这一测量参数进行的仿真表明，该技术将显着降低200W级GaN-HEMT器件的热阻，降至现有器件的61％（相当于表面温度降低80°C），见图4。

图4 200W级GaN HEMT功率放大器仿真对比

因此这种技术可以用于生产具有更高输出功率发射器的GaN-HEMT功率放大器。 当用于天气雷达等系统时，用于发射器的GaN-HEMT功率放大器可望将雷达的可观测范围提高1.5倍，这样可以更快地检测到能够产生突然暴雨的积雨云，从而为灾难做好准备。

富士通计划

富士通计划利用该技术评估GaN-HEMT的热阻和输出性能，并计划在2020年将其应用于高输出、高频功率放大器，应用于气象雷达和5G无线通信系统。

日本防务省提供研究资助

该研究获得了日本防务省采购、技术与后勤局（ALTA）设置的“安全创新科技计划”（the Innovative Science and Technology Initiative for Security）。

这项研究部分得到了日本国防部收购，技术和后勤局（ALTA）设立的创新科技安全倡议的支持。