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郑州华晶金刚石股份有限公司

金刚石基氮化镓将在下一代功率器件中大展拳脚

关键词 金刚石 , 氮化镓|2020-05-27 09:51:41|来源 中国超硬材料网
摘要 氮化镓(GaN)现在很火。而更火的是,为了进一步提高GaN的性能,不同厂商竞相将GaN与其他材料集成在一起。“无论是在器件级还是系统级,金刚石基氮化镓都可以提供高导热率、高电阻率和...

氮化镓(GaN)现在很火。而更火的是,为了进一步提高GaN的性能,不同厂商竞相将GaN与其他材料集成在一起。
       “无论是在器件级还是系统级,金刚石基氮化镓都可以提供高导热率、高电阻率和小尺寸。因此,对商用基站、军用雷达、卫星通信和气象雷达等高功率RF应用而言,金刚石基氮化镓功率放大器都极具吸引力。”Yole Développement技术与市场分析师Ezgi Dogmus解释说,“十多年来这项创新技术一直在开发中,预计未来几年,RFHIC、Akash Systems和三菱电机等业界领先厂商会将其投入商用。”
       由佐治亚理工学院机械工程系带领的一个团队在室温下采用表面活化键合(SAB)方法,通过不同厚度的中间层,将GaN的单晶金刚石键合,得到了一系列结果。这种新技术可使GaN达到最好的性能,从而用于功率要求更高的场合。
       要将GaN与其他材料集成起来,在技术上仍具挑战。利用导热界面和在界面处施加低应力来键合金刚石和GaN非常困难,但这种方法使GaN器件可以充分利用单晶金刚石的高导热性,从而为大功率应用提供出色的冷却效果。由于采用常温工艺,因此不会像其他标准工艺那样因热膨胀系数不同而产生物理应力问题。

MOSFET已达极限

在电力电子行业,硅MOSFET的性能已经达到了理论极限,现在急需新的技术。GaN是一种具有宽带隙及高电子迁移率的半导体,已被证明能够满足新应用。基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有出色的电气特性,是替代高压和高开关频率电机控制应用中MOSFET和IGBT的理想器件。
       GaN是一种宽禁带材料,其禁带(电子从价带跃迁到导带所需的能量)比硅的禁带要宽得多,具体地说,GaN的禁带大约为3.4eV,而硅的禁带为1.12eV。由于所需的能量较高,GaN阻挡特定电压所需的材料比硅要薄10倍,使器件尺寸更小。GaN HEMT的电子迁移率越高,开关速度就越快,因为聚积在异质结界面的电荷可以更快地散去。
GaN具有更快的上升时间、更低的漏源导通电阻(RDS(on))以及更小的栅极和输出电容,这些都有助于降低开关损耗,并能在比硅高10倍的开关频率下工作。功耗减少带来诸多好处,例如功率分配更高效、产生的热量更少、冷却系统更简单。

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图1:金刚石基氮化镓应用一览

GaN的性能和可靠性与沟道温度和焦耳热效应有关。集成到GaN的SiC和金刚石等衬底可以改善热管理,从而降低器件的工作温度。对于SiC基GaN器件,沟道温度降低25度,器件寿命将延长约10倍。
       金刚石的导热率比硅高14倍,而电场电阻则高30倍。由于导热率高,因此热传导性好。金刚石的带隙为5.47eV,击穿场强为10MV/cm,电子迁移率为2200cm2/Vs,导热率约为21W/cmK。
       由佐治亚理工大学、明星大学和早稻田大学组成的一个合作开发团队展示了一种新技术,可让具有高导热率的材料更加靠近有源器件中氮化镓的区域,从而最大限度地提高大功率应用中氮化镓的性能。
       GaN器件已广泛用于光电子、RF和汽车领域。金刚石基GaN的主要市场则是防御雷达和卫星通信,目前也已开始针对5G基站应用进行大规模生产。

GaN和金刚石特性

       当GaN基HEMT的沟道衬底温度较高时,其最大输出功率就会受到影响,从而降低系统性能和可靠性。金刚石是目前导热率最高的材料,通过与GaN集成,可以帮助散去沟道附近产生的热。
       HEMT器件工作时,如果栅极附近出现大的压降,就会引起局部焦耳热。发热区域在几十纳米范围以内,这会导致局部热通量超高。GaN基HEMT的局部热通量值可能比太阳表面的热通量值大10倍。有效的散热技术,例如将金刚石的位置尽可能靠近发热区域,可以有效降低沟道温度,从而增强器件的稳定性,延长器件寿命。 
       目前使用的技术包括通过化学气相沉积(CVD)在GaN上直接生长金刚石,利用介电层作为保护层,因为在金刚石的生长过程中等离子体会损坏GaN。材料及界面的热阻在热流量管理中起着举足轻重的作用,特别是对于高频开关电源应用。CVD金刚石的生长温度高于700℃,当器件冷却至室温时,界面上产生的应力会使晶片破裂。另外,粘合层增加了GaN-金刚石界面的热阻,这会削弱金刚石衬底高导热率带来的好处。

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图2:团队部分成员进行测试测量工作

佐治亚理工学院、明星大学和早稻田大学合作研究小组采用两种改进的SAB技术,通过不同的中间层,在室温下将GaN与金刚石衬底键合在一起。利用氩离子束对两个待键合的表面进行清洁和活化,在其表面产生悬空键,然后在室温下将两个表面压在一起,悬空键将在界面上形成共价键。研究小组在界面上添加了一些硅原子,以增强界面的键合。
       佐治亚理工学院的Zhe Cheng博士说:“键合是在明星大学和早稻田大学(Fengwen Mu和Tadatomo Suga)完成的,然后在佐治亚理工学院(Zhe Cheng、Luke Yates和Samuel Graham)利用时域热反射法(TDTR)来测量键合界面。佐治亚理工学院还完成了相关的热建模,用来评估键合界面对GaN器件的影响。”
       TDTR用于测量热性能。利用高分辨率扫描电子显微镜(HR-STEM)和电子能量损失谱(EELS)可以完成材料表征。
       时域热反射测量系统(TDTR)

       时域热反射测量系统(TDTR)采用超快飞秒激光泵浦探测技术,利用1至12MHz的调制超快激光来控制热穿透深度,可以测量GaN-金刚石界面的边界热传导。与泵浦脉冲相比,探测脉冲延迟了0.1到7ns,因而可以测量相对表面温度的衰减。锁相放大器可提取光电探测器检测到的读信号。温度变化是根据薄金属换能器(50~100nm)反射率的变化来测量的。该系统能测量0.1~1000W/m-K的导热率和2~500m2-K/G的热边界电阻,还使用了钛宝石飞秒激光器。

制造与测试

佐治亚理工大学和明星大学将GaN与金刚石键合时,在界面上添加了一些硅原子来增强界面的化学粘合,这降低了接触面的热传导。边界导热率(TBC)描述了固-固界面之间的热传导,相应系数则表示通过界面传导热量的能力。
       开发团队使用了两个样本。第一个样本包含一个GaN薄层(约700nm),它与商用单晶金刚石衬底结合在一起(通过CVD方法生长),有一个厚度约10nm的硅中间层。另一个样本包含一个厚度约1.88μm的GaN层,它与商用单晶金刚石衬底键合在一起(通过高压高温方法生长)。打磨GaN,让它变得足够薄,以便进行TDTR测量(图2和图3)。
       使用图2所示的样本结构,首先测量不带GaN层(图2中右边区域)的单晶金刚石衬底的导热率。然后,在带GaN层的区域进行TDTR测量,得到GaN-金刚石结构的TBC。
       Zhe Cheng说:“在GaN层上方进行测量时,之前测得的金刚石衬底导热率作为已知参数补充TDTR数据,得到TBC。总的来看,未知参数有三个:Al-GaN TBC、GaN导热率和GaN-金刚石TBC。TDTR是用于测量纳米结构和块体材料热性能的技术。用一束调制激光使样本表面发热,另一束光稍后通过热反射来检测表面温度的变化,并由光电探测器捕获。”

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图3:(a)金刚石和键合GaN-金刚石样本上的TDTR测量;(b)三个未知参数的TDTR敏感度;(c)在室温下及调制频率为2.2MHz时样本2的TDTR数据拟合

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图4:(a-b)样本1的GaN-金刚石界面的剖面图;(c-d)样本2的GaN-金刚石界面的剖面图

       科学文献中报道的GaN-金刚石界面的TBC测量值较高,而且会受中间层厚度的影响。由于界面无序而且有缺陷,GaN-金刚石表现出弱温度依赖性。该器件的建模显示出它具有较大的GaN-金刚石TBC(>50MW/m2-K),因而可以充分利用单晶金刚石的高导热率。其应用范围涵盖国防(雷达和卫星通信)和商业(能源基础设施、自动汽车和5G基站)。
       (原文刊登于ASPENCORE旗下EEtimes英文网站,参考链接:GaN-on-Diamond For Next Power Devices。)


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