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鄒小姐：13326633089 -
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近十年來，氮化鎵(GaN)的研究熱潮席卷了全球的電子工業，這種材料屬于寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度大、熱導率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質結構等優異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，在5G通訊、航天、國防等領域具有極高的應用價值，是近20余年以來研制微波功率器件最理想的半導體材料。
與其他類型芯片類似，在尺寸小型化和功率增大化的條件下，尤其是在高偏置電壓工作狀態下，GaN基功率器件隨著功率密度的增加，芯片有源區的熱積累效應迅速增加，導致其各項性能指標迅速惡化，使其大功率優勢未能充分發揮。因此，散熱問題成為制約 GaN 基功率器件進一步發展和廣泛應用的主要技術瓶頸之一。
其中，GaN功率器件常用襯底材料（藍寶石、硅、碳化硅）的熱導率較低，僅依靠傳統的襯底材料通過被動冷卻技術，難以滿足高功率條件下的散熱需求，嚴重限制GaN基功率器件潛力的釋放。采用高熱導率金剛石作為高頻、大功率GaN基器件的襯底或熱沉，可以降低GaN基大功率器件的自加熱效應，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現的功率密度迅速下降的問題，因此成為近幾年的一個國際研究熱點。
各種襯底材料及GaN的常見性能
然而，GaN與金剛石存在較大晶格失配和熱失配等問題，如何將金剛石作為 GaN基功率器件的熱沉或襯底，目前有多種技術，其中主要有多晶金剛石襯底 GaN散熱技術、單晶金剛石襯底散熱技術、高導熱金剛石鈍化層散熱技術等。
GaN基器件金剛石襯底的制備技術
一、多晶金剛石襯底GaN散熱技術
目前采用多晶金剛石制備GaN基器件襯底的技術主要分兩種方式：基于低溫鍵合技術和基于GaN外延層生長金剛石技術。
（1）低溫鍵合技術
最先開展GaN/金剛石低溫鍵合方法的是BAE Systems（英國航空航天公司），其技術路線是，首先在SiC基GaN外延層制備HEMT器件（即高電子遷移率晶體管），然后將GaN基HEMT晶片鍵合在臨時載體晶片（Temp Carrier）上，去除SiC襯底和部分GaN的形核層和過渡層，并將其表面和金剛石襯底加工到納米級粗糙度；隨后在GaN和金剛石襯底分別沉積鍵合介質（鍵合介質可能為SiN、BN、AlN等），在低于150℃的溫度鍵合，最后去除臨時載體晶片，最終獲得金剛石襯底GaN HEMT器件。
目前采用該技術路線將金剛石襯底GaN晶片推廣到3~4英寸。
金剛石襯底
低溫鍵合技術具有使用高質量、高導熱率的金剛石襯底及鍵合過程不存在高
溫和氫等離子體環境的優勢，同時也獲得了良好的電學特性和散熱效果。然而該技術路線的難點在于大尺寸金剛石襯底的高精度加工，尤其是對平行度、變形量及表面粗糙度的極高要求；去除原始襯底后GaN外延層表面的高精度加工等，實現鍵合層的低熱阻和高質量鍵合強度也是實現器件制備的關鍵。
（2）基于GaN外延層背面直接生長金剛石
基于GaN外延層背面直接生長金剛石的方法與低溫鍵合技術不同之處是，去除襯底及部分GaN緩沖層后，在外延層背面首先沉積一層介電層用于保護GaN外延層，而后再沉積金剛石襯底（厚度~100μm）。
金剛石襯底GaN基器件的制備流程
需要注意的是，雖然直接沉積法在散熱能力方面體現出極為突出的優勢，但是研究結果表明，該技術由于涉及到高溫沉積，對熱失配控制是重大挑戰；GaN外延層臨時轉移后沉積金剛石膜過程中也存在損傷風險；金剛石形核層較低的熱導率不利于其熱傳輸。
然而相較于鍵合技術獲得的金剛石基GaN，該技術可以使界面熱阻降到更低，這也說明該技術在制備金剛石基GaN方面也具有極大潛力。
二、單晶金剛石襯底外延GaN
隨著單晶金剛石制備技術不斷發展和完善，單晶金剛石襯底直接外延GaN 晶片也被用于改善散熱需求。
有研究者在單晶金剛石襯底上采用分子束外延技術(MBE)外延沉積得到GaN外延層，隨后在此基礎上又沉積出AlGaN/GaN異質結材料，基于此制備出GaN基HEMTs。
AlNGaN/GaN HEMTs在金剛石和SiC襯底上的溫升對比
但這種方法采用單晶金剛石襯底外延GaN實現了AlNGaN/GaN HEMTs的異質外延和器件制備，但是難度依然極大，GaN和金剛石的晶格常數和熱膨脹系數差異巨大，也給制備帶來巨大困難，此外單晶尺寸和成本進一步限制其應用。
三、高導熱金剛石鈍化層散熱技術
這種方法一般是在晶體管器件表面生長一層納米金剛石薄膜，從散熱效果來看納米金剛石包覆可以顯著提高器件的性能，其橫向熱導率與初始幾微米厚密切相關，最重要的是金剛石層與熱源接近，使得這種方法比其他的熱控方法更有利，特別是脈沖器件。
不同鈍化層的GaN基HEMT散熱能力對比
盡管采用該技術具有巨大潛力，但是在制作HEMTs的過程中，沉積納米金剛石薄膜往往受到器件工藝條件的限制，沉積溫度一般較低，納米金剛石膜的熱導率并不高，這些都限制了該技術的應用和推廣。
總結
與傳統襯底GaN基功率器件相比，金剛石襯底 GaN 器件具有更高的散熱能力，下一代金剛石基GaN技術將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統，為5G和6G移動通信網絡和更復雜的雷達系統鋪平道路。
然而金剛石襯底與GaN外延層的結合技術并未成熟，還存在許多難題亟需解決，距離產業化尚有距離。未來金剛石襯底與GaN外延層結合技術的研究將趨于以下幾個方面：
（1）針對低溫鍵合技術主要以降低金剛石加工成本，實現鍵合層的低熱阻和高質量鍵合強度為目標；
（2）針對GaN外延層背面沉積技術，以實現GaN外延層的高效率轉移，提高金剛石形核層熱導率，提高GaN外延層轉移后電學特性，實現GaN外延層沉積金剛石襯底的大面積為研究方向；
（3）其他技術手段主要存在單晶金剛石襯底尺寸小、納米金剛石鈍化層沉積工藝與器件加工的兼容性等問題，這都將極大限制這些技術手段的發展和應用。
解決上述問題，將為 GaN 功率器件實現高頻、高功率應用，提供廣闊前景，并帶來更大效益。
參考來源：
1. 金剛石散熱襯底在GaN基功率器件中的應用進展，賈鑫、魏俊俊、黃亞博、邵思武、孔月嬋、劉金龍、陳良賢、李成明、葉海濤 （北京科技大學、南京電子器件研究所）；
2. 金剛石基氮化鎵(GaN)技術的未來展望。
粉體圈 小吉
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