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郑州华晶金刚石股份有限公司

人造金刚石衬底:氮化镓技术的潜力释放者

关键词 氮化镓 , CVD金刚石|2015-08-04 17:10:02|来源 中国超硬材料网
摘要 较高复杂性和功率密度更大的现代微型电子设备日益受到热管理技术的瓶颈制约。例如氮化镓(GaN)可以显著提高射频(RF)晶体管的整体性能,使其上升到一个全新的技术基准;但在临近最大输出...
       较高复杂性和功率密度更大的现代微型电子设备日益受到热管理技术的瓶颈制约。例如氮化镓(GaN)可以显著提高射频(RF)晶体管的整体性能,使其上升到一个全新的技术基准;但在临近最大输出功率处,RF晶片工作运行时的信道加热却大大缩短了设备寿命。因此,氮化镓设备的潜能有待于进一步挖掘提高。

       为解决上述问题,元素六公司研发了导热性更高的衬底以帮助晶体管设备散热:化学气相沉积(CVD)金刚石

       金刚石是迄今为止世界上导热性能最好的物质材料,室温下的导热系数高达2000Wm-1K-1,是碳化硅导热系数的四到五倍。作为衬底材料,金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内,使晶体管设备在工作时能够有效散热。

       随着金刚石技术的成熟发展,金刚石衬底GaN可以替代常用的行波管和SiC衬底GaN设备,用于军事雷达、电子战系统、蜂巢式基地台、气象卫星和通信卫星等领域。美国国防高级研究计划局(DARPA)研究发现金刚石衬底GaN可以以更低的信道温度传输功率密度,是SiC衬底GaN射频放大器效率的三倍。

金刚石衬底GaN晶片

       金刚石衬底GaN晶片是由1.2µm厚的专属过渡层、800nm厚的未镀附GaN中间层、17nm厚的Al0.26Ga0.74N肖脱基势垒和2nm厚的GaN保护层在硅表面外延堆叠而成。首先将AlGaN/GaN衬底下面的硅衬底和过渡层抽取并添加上一对附加层,然后在裸露的AlGaN/GaN上沉积出35nm厚的专属电介质,最后在薄膜上沉积出100μm厚的CVD金刚石衬底。如图一所示:

图一:将GaN和临时载体结合,蚀刻掉衬底和过渡层并沉积出35nm厚的电介质;在GaN背面沉积出100μm厚的金刚石层,最后将临时载体抽取掉,制备出金刚石衬底的GaN。

       通过对比金刚石衬底GaN和硅衬底GaN高电子迁移率场效晶体管(HEMTs),以及金刚石衬底GaN和碳化硅衬底GaN的HEMTs来测试金刚石衬底GaN对于晶体管性能的改善。

       美国空军研究实验室(AFRL)对于元素六公司的GaN和金刚石沉积进行测试试验以验证其是否有损GaN的外延生长,是否会引起设备性能的退化。实验对上千个金刚石衬底GaN和硅衬底GaN的HEMTs进行了测试;对晶片的表面电阻率、载流子迁移率、载流子密度、接触电阻和缓冲期隔离电流进行了详细试验。此外,还对被动元件的跨导、最大DC漏电流、饱和DC漏源电流、临界电压、闸极漏电流和拐点电压进行估值。工程师还求得了设备的RF数据,包括击穿电压、 fmax(MAG)、ft、电流电压特性和转移特性曲线。除了较低的表面闸极漏电流外,没有观察到明显的数据差异。

       利用连续波莫里负载牵引测量对两种设备在X频带频率和不同漏电压处的RF性能进行估值。结果发现硅衬底到金刚石衬底的改变使输出功率多增加了1dBm-1.5 dBm,功率增加效率提高了7%。

       AFRL还对比了两种HEMTs的电流波腹,发现硅衬底氮化镓HEMTs要比金刚石衬底氮化镓HEMTs对脉冲宽度更加敏感,如图二所示。

图二:不同频宽比下硅衬底氮化镓HEMTs和金刚石衬底氮化镓HEMTs的电流波腹

 
图三:工程师利用显微拉曼成像和测温法对金刚石衬底氮化镓和硅衬底氮化镓的HEMT热特性进行探测。图示为显微拉曼成像所测得的温度变化。

       利用显微拉曼热分析可以获得热电阻的定量测量。金刚石衬底氮化镓HEMT的热电阻为8KW-1mm-1,如图3所示;而硅衬底氮化镓HEMT的热电阻为21 KW-1mm-1。

CVD金刚石散热片

       除了金刚石衬底GaN晶片外,CVD金刚石散热片也能够有效改善设备性能。研究者发现CVD金刚石集成包装的金属化对金刚石和设备之间的热阻性有着重要影响;三层金属化框架目前主要应用于粘合稳定性、机械稳定性和热稳定性。常用的金刚石散热片材料是Ti/Pt/Au,稳定性好、耐久力高。由于Ti和Pt的导热系数相对较低,研究者又发现一种新的材料来替代,即Cr。Cr和金刚石生成一层碳,形成一层势垒,且不需要额外添加其它金属。热导系数高达93.9W/mk。英国布里斯托大学的研究团队发现Cr/Au的热导系数要比Ti/Pt/Au高出三至四倍。

       Cr/Au的增强热导系数为设备增加了不少优势,为验证这一点,研究人员将高功率GaN -SiC HEMT固定在CVD金刚石散热片上,为保障结果的可比性,所有试样都放置在温度稳定平台上,该平台也有金刚石材料制备而成。如图四所示,左图为设备功率逐增时的基准温度变化。很明显,Cr/Au装置的温度要低很多,设备输出功率为9W时温度为10℃。

图四:不同金属化和钎焊厚度装置的功率时间函数

       右图为晶体管信道上直接测得的温度。Cr/Au装置的热阻系数越低,9W输出功率时的温度下降就超过20℃。温度越低,设备寿命就越长;亦或以更小的尺寸和更高的功率密度来封包装配。

作者:Bruce Bolliger
元素六公司销售和市场部主管.
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