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美国斯坦福大学等成功在 GaN HEMT 上进行金刚石后处理

关键词金刚石后处理|2025-05-12 10:40:52|来源中国机床工具工业协会超硬材料分会

摘要美国斯坦福大学和加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）宣称首次在射频（RF）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）上实现了后处理金刚石集成。研究人员认为，这为使用金刚石散热片对X...

美国斯坦福大学和加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）宣称首次在射频（RF）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）上实现了后处理金刚石集成。研究人员认为，这为使用金刚石散热片对 X 波段 GaN HEMT 进行热管理提供了一个“有价值的平台”。

团队评论道：“自热效应导致沟道温度在栅极电极的漏极边缘达到峰值，从而降低了沟道迁移率并缩短了使用寿命。这使得在射频功率放大器中，除了传统的封装级冷却技术外，还需要采用器件级的冷却方法来降低结温/沟道温度。”

X 波段的频率范围为 7 至 12 吉赫，应用于通信和雷达领域。氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）在温度升高时可能会出现性能下降和可靠性差的问题，这是由于高输入功率导致散热不足所致。人们希望高导热性的金刚石能够将热量从器件结构中导出。

研究人员报告称：“我们在器件有源区的顶部和侧壁上集成了金刚石。顶部散热方法为热耗散提供了一条替代路径，通过沉积的金刚石绕过生长堆栈中缓冲层/成核层的高电阻。此外，N 极化器件在 GaN 通道层下方放置了 AlGaN 阻挡层；因此，顶部的金刚石距离热点不到 10 纳米，效率极高。”

氮化镓射频器件的开发特别着眼于高功率密度，以实现更远的传输距离和更低噪声下的更优信号质量。

图 1：采用“器件优先”方法制造全方位金刚石集成 N 极化 GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）器件所遵循的步骤顺序。

研究人员采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，在 2 英寸半绝缘碳化硅（SiC）衬底上生长了具有铝镓氮（AlGaN）势垒和原位氮化硅（SiN）结构的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）（图 1）。研究人员采用了氮极性而非镓极性的 III 族氮化物结构，因为这种材料可带来更高的功率密度、二维电子气（2DEG）分布以及可扩展性能。

在金刚石沉积之前，采用金属-绝缘体-半导体（MIS）高电子迁移率晶体管（HEMT）结构，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）再生长重掺杂的 n+ 砷化镓源/漏极接触，MOCVD 氮化硅栅极绝缘层以及钼（Mo）栅极电极。通过台面刻蚀将各个器件进行电隔离。为金刚石沉积工艺，在器件上覆盖了一层原子层沉积（ALD）二氧化硅（SiO2）保护层。源极/漏极间距为 1 微米（LSD），栅极长度为 150 纳米（LG），栅极与漏极间距为 400 纳米（LGD）。

全方位的金刚石覆盖了整个装置，包括台面侧壁以及台面以外的蚀刻表面。金刚石是在微波等离子体化学气相沉积系统中沉积的。金刚石的平均晶粒尺寸取决于生长温度：在 500°C 时为 350 纳米，在 700°C 时为 700 纳米。

生长温度也影响了源漏接触电阻：500°C 和 700°C 时分别为 1.4 欧姆·毫米和 0.24 欧姆·毫米。源极和漏极区域之间二维电子气通道的相应方阻分别为 500°C 时 250 欧姆/平方和 700°C 时 225 欧姆/平方。这些值与不含金刚石的样品的方阻相匹配。

500°C 样品的接触电阻较高，被归咎于“在金刚石蚀刻过程中对 n+ 再生长的氮化镓造成的损伤”。该团队表示，蚀刻工艺正在进一步优化以解决这一问题。

通过 300 纳米的金刚石层蚀刻出源极/漏极和栅极的接触孔，随后沉积钛/金（Ti/Au）金属电极以形成欧姆源极/漏极接触。另外一层 Ti/Au 提供了接地-信号-接地（GSG）焊盘。优化了金刚石反应离子蚀刻工艺，使其对蚀刻底层器件层具有选择性。采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）二氧化硅硬掩模进行图案化。

研究人员报告称：“发现减少源/漏接触区域的损伤对于实现更低的接触电阻至关重要……从栅极垫区域和源/漏 n+GaN 区域分别进行金刚石刻蚀，以便更好地控制金刚石刻蚀过程。”

该团队表示，金刚石沉积无空洞且均匀，这对于更好地冷却器件至关重要。“在器件中，源/漏金属悬垂于金刚石层之上，以促进金属与金刚石层之间的热流。”他们补充道。

尽管 700°C 的蚀刻工艺带来了较低的源漏接触电阻，但栅极却出现了高漏电流，无法调节电流，这使得其作为晶体管毫无用处。