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在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，電子器件的性能提升備受關(guān)注，而散熱問題始終是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。 氮化鎵（GaN）作為高頻、高功率微波功率器件的理想材料，在眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。 然而，隨著GaN HEMT（高遷移率晶體管）器件功率密度及頻率的不斷提高，散熱問題日益凸顯，已成為性能進一步提升的瓶頸。 在此背景下，金剛石基GaN技術(shù)應(yīng)運而生，其憑借金剛石超高的熱導(dǎo)率，有望解決散熱難題，為電子器件的發(fā)展帶來新的曙光。
? ?技術(shù)途徑概述
以金剛石作為散熱襯底解決 GaN HEMT 器件散熱問題主要有三種技術(shù)途徑：金剛石襯底上 GaN 外延、金剛石與 GaN 的直接鍵合、GaN 底部金剛石厚膜的生長。 其中，金剛石與 GaN 之間存在大的品格失配與熱失配，導(dǎo)致在金剛石表面進行 GaN 外延難度極大，難以獲得高質(zhì)量外延層，雖國內(nèi)外開展大量研究但未取得實質(zhì)性突破。 目前，GaN 底部直接進行金剛石的生長以及 GaN 與金剛石多晶襯底的鍵合成為金剛石基 GaN 的主要技術(shù)途徑。
兩種方式中都需要完成碳化硅基GaN外延片與臨時載體的鍵合，以及原始碳化硅襯底的去除。 在以鍵合或直接生長方式實現(xiàn)GaN與金剛石的集成以后，去除臨時載體，獲得金剛石基GaN外延片。
1、鍵合方式：碳化硅襯底去除以后，通過常溫或高溫鍵合方式實現(xiàn)金剛石與GaN外延層的鍵合；
2、直接生長方式：完成碳化硅襯底的去除以后，通過微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）方式在GaN底部進行金剛石厚膜的沉積，金剛石厚度一般為100～150μm。
? ?金剛石與GaN的直接鍵合
1、鍵合方式及特點
目前金剛石與GaN的直接鍵合有多種方式，其中室溫表面活化鍵合（SAB）研究最為廣泛。 這種方法通過原子清潔和激活表面進行鍵合，不同材料在室溫下建立高度牢固的化學(xué)鍵。
優(yōu)勢：能有效避免金剛石與 GaN 之間熱失配造成的晶圓變形和 GaN 外延層損傷，且鍵合用金剛石多晶襯底質(zhì)量高、熱導(dǎo)率高，能充分發(fā)揮金剛石的高熱導(dǎo)性能。
2、研究現(xiàn)狀及成果
SAB技術(shù)近年來成為國內(nèi)外研究熱點，眾多研究機構(gòu)開展相關(guān)研究。日本在該領(lǐng)域代表國際最高水平，如大阪市立大學(xué)基于單晶金剛石，采用SAB技術(shù)實現(xiàn)了GaN與金剛石的鍵合。但目前受大尺寸、高表面加工質(zhì)量金剛石多晶襯底缺乏的限制，SAB鍵合結(jié)果多基于小尺寸金剛石單晶開展。
3、國內(nèi)外企業(yè)現(xiàn)狀
三菱電機：三菱電機與美國國家先進工業(yè)科學(xué)與技術(shù)研究所（AIST）合作，開發(fā)出了一種直接鍵合在高導(dǎo)熱性單晶金剛石襯底上的多單元結(jié)構(gòu)氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN-HEMT）。
中科院微電子研究所：該研究所的高頻高壓中心研究員劉新宇團隊與日本東京大學(xué)鹽見淳一郎團隊合作，創(chuàng)新地使用表面活化鍵合法（SAB），以納米非晶硅為介質(zhì)，在室溫下達(dá)成了氮化鎵 - 金剛石鍵合，并且系統(tǒng)揭示了退火中鍵合結(jié)構(gòu)的界面行為及其影響熱導(dǎo)和熱應(yīng)力的機理。
天津中科晶禾公司：與中科院微電子所的合作中，在厚膜氮化鎵（GaN）與多晶金剛石直接鍵合技術(shù)領(lǐng)域取得進展。采用先進的動態(tài)等離子體拋光（DPP）技術(shù)處理多晶金剛石表面，并結(jié)合表面活化鍵合方法，在室溫下實現(xiàn)了厚膜 GaN 與多晶金剛石襯底的直接鍵合。
化合積電（廈門）半導(dǎo)體科技有限公司：在金剛石和氮化鎵的三種結(jié)合方案（將金剛石鍵合到 GaN 晶片或直接鍵合到 HEMT 器件、在單晶或多晶金剛石襯底上生長 GaN 外延、在 GaN 的正面或背面上生長納米晶或多晶金剛石）中均取得成功。
? ?GaN底部直接生長金剛石
1、研究歷程及關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)
該方法由美國的Group 4團隊發(fā)明。2005年，在美國DARPA支持下，他們獲得世界首個基于GaN底部直接生長的10mm×10mm金剛石基GaN外延片，并得出以下結(jié)論：
GaN可長時間暴露在600°C以上高溫環(huán)境且保持材料質(zhì)量及電學(xué)性能穩(wěn)定。
金剛石與GaN的熱失配不會造成GaN HEMT器件性能下降。
金剛石可在GaN/Si結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)厚膜沉積。
2、商業(yè)化進展及性能對比
2013年，Group 4團隊實現(xiàn)4英寸金剛石基GaN外延片的量產(chǎn)。為驗證散熱性能，他們將金剛石基GaN HEMT器件與SiC基GaN HEMT器件對比，結(jié)果顯示金剛石基GaN HEMT器件在相同輸出功率密度下，結(jié)溫峰值更低，散熱性能優(yōu)勢明顯。
當(dāng)輸出功率密度同為4.2W/mm 時，柵長10μm的金剛石基GaN HEMT器件結(jié)溫峰值僅比柵長30μm的SiC基GaN HEMT器件高6.3°C；柵長同為30μm時，前者結(jié)溫峰值比后者降低8.5°C。2012年，韓國 RFHIC公司購買該技術(shù)專利，并于2022年實現(xiàn)23W/mm@2GHz的輸出功率密度。
?? 寫在最后
金剛石基GaN技術(shù)的出現(xiàn)，為電子器件散熱問題提供了極具潛力的解決方案。盡管當(dāng)前仍面臨一些挑戰(zhàn)，如鍵合技術(shù)中的襯底尺寸限制、生長技術(shù)中的工藝優(yōu)化等，但隨著研究的持續(xù)深入和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，這些問題有望逐步攻克。我們有理由相信，金剛石基 GaN 技術(shù)將在未來電子器件領(lǐng)域大放異彩，推動雷達(dá)、5G 通信、航空航天等行業(yè)邁向新的高度。
以上部分內(nèi)容整理自DOI: 10.3969/j.issn.1000-985X.2024.06.001
