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技术革新:金刚石衬底助力GaN器件突破性能瓶颈

时间:2024-05-31浏览次数:123

GaN在雷达、5G通信、航空航天等领域应用广泛,但随着GaN HEMT器件持续向更大功率、更高效率发展,低热耗散能力已成为制约器件性能提升的重要因素。目前常用的GaN 器件衬底材料蓝宝石、Si和SiC等热导率较低( 40~400 W/m ·K ) ,难以满足高功率条件下的散热需求,严重限制了 GaN 器件的性能。金刚石材料的热导率可达2200W/(m·K),是SiC的4倍,Si的13倍,研究表明,通过将金刚石与大功率器件GaN HEMT进行异质集成,可有效解决现有SiC/Si衬底GaN HEMT器件的散热瓶颈。

 

得益于金刚石衬底更高的热导能力, 在相同尺寸下可以制造具有更大功率密度的 GaN 基功率器件,可显著减少相控阵芯片、固态功率放大器、宽带通信芯片的尺寸,缩减成本,并提升其效率和可靠性,在众多大功率应用领域展现出巨大潜力。

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不同衬底材料在不同温度下热导率对比

 

一、金刚石衬底和SOI(Silicon-On-Insulator)衬底的HEMT器件性能对比

通过键合工艺将GaN转移至高热导率的多晶金刚石衬底上,从漏极电流退化情况、功率特性、结温变化等数据可知,金刚石衬底HEMT器件表现出更好的散热能力,高温退化现象明显减缓,功率提升达到40.12%,结温降低83.9℃,热效应及可靠性得到较明显改善。

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漏极电流高温退化情况     

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功率特性变化 

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 结温变化


 二、金刚石衬底和SiC衬底HEMT器件性能对比

传统基于半绝缘SiC衬底的GaN HEMT综合了AlGaN/GaN异质结的高输运特性和半绝缘SiC衬底的高导热特性两方面优势,在高频、高功率、高效率以及宽带应用方面表现出显著的性能优势。但受限于散热,基于SiC衬底的GaN微波器件输出功率密度普遍不到10W/mm,性能还有巨大提升空间,散热问题成了制约GaN器件输出功率密度提升的瓶颈。

 

研究表明,对于相同的功率密度,金刚石上的 GaN 可以使通道温度较于GaN-on-SiC至少降低 40%,这将使器件寿命增加约 10 倍。在不同衬底上运行的GaN晶体管耗散相同功率的红外图像显示,GaN-on-Diamond是其中工作温度最低的,因为衬底和栅极之间的温升降低了,可以用于在更热的环境温度下工作。

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 相同的功率密度通道温度

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 不同衬底上运行的GaN晶体管耗散相同功率的红外图像


三、金刚石基 GaN HEMT 未来技术趋势

 研究证明,与目前常用的 SiC /Si HEMT器件相比,金刚石基 GaN HEMT器件具有更高的散热能力,尽管金刚石基 GaN 功率器件已经实现了器件在 10 GHz 下输出功率达 10 W·mm-1 以上的优良性能,但进一步提升金刚石基 GaN HEMT 性能仍然充满挑战。

 

为了进一步提升金刚石基 GaN HEMT 器件的性能,未来的技术发展趋势包括:

①开发低成本、大尺寸、高品质金刚石晶圆,解决大尺寸金刚石基 GaN 圆片翘曲度大、缺陷密度高等问题;

②优化 GaN/金刚石常温和低温键合工艺,有效提升GaN/金刚石界面热阻;

③优化 GaN HEMT 外延材料和结构, 使器件性能大幅提升。

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化合积电聚焦金刚石科技前沿,采用直接键合技术(金刚石与GaN/Si/GaAs/InP等键合),制备出金刚石异质集成复合衬底,可满足2.5D,3D集成对芯片需更大集成密度和更高功率密度的要求。核心产品包括金刚石晶圆、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石异质集成复合衬底等。其中用于键合的晶圆级金刚石,表面粗糙度Ra<1nm,热导率1000-2200W/(m.K),翘曲度Warp<100μm,各项指标符合键合需求,目前产品已被广泛应用于雷达、5G通信、航空航天等领域。


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