近年来,随着GaN HEMT器件功率密度及频率的提高,器件源区的热积累现象日益显著,结处巨大的热流严重影响了器件的稳定性与可靠性,并导致器件使用寿命的缩短。
随着 GaN HEMT 器件功率密度的提升,传统的碳化硅衬底已经无法满足 GaN HEMT 器件的散热需求。金刚石材料具有超高的热导率( > 2 000 W·m - 1·K - 1 ) ,是目前已知热导率最高的材料。 以金刚石作为 GaN HEMT 器件的散热衬底,能够从根本上解决 GaN HEMT 器件的散热问题,全面提升GaN HEMT器件的性能。目前,以金刚石作为 GaN HEMT 器件的热沉材料,开展金刚石基GaN HEMT器件的研究,已经成为国内外研究的热点。
GaN HEMT 器件中的热量需要经过 GaN、介质层及金刚石成核层等多个界面的传输才能够通过金刚石衬底最终实现热量的散出。热量在这些界面处的传输能力直接决定了金刚石散热性能的好坏。这些不同材料构成的界面会出现声子的散射,造成界面热阻。界面热阻的大小说明了热量在 GaN 与金刚石之间的传输能力强弱,随着界面热阻的增大,热量在 GaN 与金刚石之间的界面处传输能力越差,导致热量无法有效到达金刚石衬底处,进而无法通过金刚石进行热量的有效传输。所以界面热阻直接决定了金刚石散热性能的发挥,是决定金刚石基 GaN散热性能的关键参数。
采用金刚石作为散热衬底解决GaN HEMT器件的散热问题,界面热阻的大小是决定金刚石散热性能能否有效发挥的关键。
基于 SAB 键合技术进行 GaN 与金刚石键合过程中,金刚石由于高的表面能,难以实现与 GaN 的直接键合。实现金刚石与 GaN 键合的方式有两种,一种是通过等离子体轰击 GaN 与金刚石的表面,暴露新的化学键,然后通过这些化学键的作用实现 GaN 与金刚石的室温键合。 在这种键合方式中,等离子体轰击 GaN 与金刚石的过程中会在 GaN 与金刚石的表面产生数纳米的非晶层,这些非晶层的存在是界面热阻升高的主要原因。另一种键合方式是在 GaN 与金刚石表面引入非晶的介质层,通过等离子体轰击实现介质层的键合。在这个过程中,介质层的引入是导致界面热阻升高的主要因素。在 GaN 底部直接生长金刚石获得金刚石基 GaN 的过程中,为了避免 GaN 在等离子体环境中的刻蚀,需要在GaN HEMT功能层表面引入介质
层实现对 GaN HEMT 功能层的保护。 但是这些介质层往往是通过磁控溅射、等离子体化学气相沉积、原子层沉积等方式在低温下沉积的。 所以这些介质层往往为非晶态,这些非晶态的介质层具有非常低的热导率,因而其存在会导致界面热阻的升高。另一方面,在 GaN 表面直接进行金刚石生长过程中,金刚石由于高的表面能 ,在 GaN 表面难以直接成核,通常需要在 GaN 表面进行人造成核,人造成核结束以后,在金刚石生长初期,通过生长工艺的控制实现 GaN 表面金刚石的全覆盖,并进一步调节金刚石生长工艺,进入金刚石正常生长阶段。 这种进入金刚石正常生长之前的金刚石成核层热导率较低,界面热阻较大。金刚石成核层的存在是导致界面热阻升高的另一个关键因素。此外,GaN HEMT 外延层的成核层及 GaN 与金刚石 之间的界面粗糙度等均会影响界面热阻。
总体而言,金刚石基 GaN 实现方式的不同,引起界面热阻升高的原因有所不同。对于 SAB 键合技术,产生界面的热阻的主要原因如下:1)等离子体轰击金刚石与 GaN 表面产生的金刚石与GaN 非品层造成的界面热阻上升;2)非品介质层的引人造成的界面热阻的升高。对于 GaN 底部直接进行金刚石生长的技术路线中引起界面热阻升高的主要原因有:1)金刚石成核层的存在造成的界面热阻升高:2)介质层的引人造成的界面热阻升高。此外,在两种实现途径中原始碳化硅/硅衬底表面的 GaN HEMT 外延层结构在去除原始衬底后,GaN HEMT 结构成核层的存在也是导致界面热阻升高的因素之一。在界面热阻控制的过程中可以从以下几个方面实现界面热阻的进一步降低:1)选择热导率高的材料作为介质层,并通过后序退火提高介质层的结品性,改善介质层的热导率,进而降低界面热阻,同时,在介质层选择的过程中可以借助第一性原理计算等理论计算手段,从声子桥的角度进行介质层材料的筛选,进一步实现界面热阻的降低:2)金刚石成核层的有效控制,通过金刚石纳米颗粒尺寸及成核密度的控制,提升金刚石成核层热导率,改善界面热阻;3)采取有效的措施去除 GaN HEMT 成核层,进一步改善界面热阻。
化合积电是一家专注于宽禁带半导体材料研发、生产和销售的国家高新技术企业，核心产品有多晶金刚石(晶圆级金刚石、金刚石热沉片、金刚石窗口片、金刚石基复合衬底)、单晶金刚石(热学级、光学级、电子级、硼掺杂)和金刚石复合材料等，引领金刚石及新一代材料革新，赋能高端工业化应用，公司产品广泛应用于激光器、GPU/CPU、医疗器械、5G基站、大功率LED、新能源汽车、新能源光伏、航空航天和国防军工等领域。
