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鄒(zou)小姐：13326633089 -
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近十(shi)年來，氮化鎵(GaN)的研究熱(re)潮(chao)席卷(juan)了全球的電子工業(ye)，這種材料屬于寬禁帶(dai)半導體材料，具有禁帶(dai)寬度大、熱導率高、電(dian)子飽和漂移速度高、易于形成異質結構等優(you)異性能(neng)，非常適于研制高頻、大功率微波(bo)(bo)、毫米波(bo)(bo)器件和電路，在5G通訊、航天、國防等領域具有極高的應用價值，是近20余(yu)年以來研制微波功率器件最理想的(de)半導(dao)體(ti)材料。
與(yu)其他類型芯片類似，在尺寸小(xiao)型(xing)化(hua)和功率增大化(hua)的條件下，尤其是(shi)在高偏置電壓工作狀態下，GaN基(ji)功率器件隨(sui)著功率密(mi)度的增(zeng)(zeng)加，芯(xin)片有源區的熱(re)積累效應迅(xun)速增(zeng)(zeng)加，導致其(qi)各(ge)項性能指標迅(xun)速惡(e)化，使(shi)其(qi)大功率優勢未能充分發(fa)揮。因此，散熱(re)問題成(cheng)為(wei)制(zhi)約 GaN 基(ji)功率器件進一步發(fa)展和廣泛(fan)應用的主要技術瓶頸(jing)之一。
其(qi)中，GaN功率器件常用襯底材料(liao)（藍寶石、硅、碳化硅）的熱(re)(re)導率較低，僅依靠(kao)傳統的襯底(di)材料通過被(bei)動(dong)冷(leng)卻技術，難以滿足(zu)高功率條件(jian)下的散(san)熱(re)(re)需求，嚴重限制GaN基功率器件潛力的釋放。采用高熱導率金剛(gang)石作為高頻、大功率(lv)GaN基器件的襯底或熱沉，可以降低GaN基大功率器件的自加熱效應，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現的功率密度迅速下降的問題，因此成為近幾年的一個國際研究熱點。
各種襯底材料及(ji)GaN的常見性(xing)能(neng)
然而，GaN與金剛石存在較大(da)晶格失配和熱失配等問題，如何將(jiang)金剛石作為 GaN基功率器件的熱沉或襯底，目前有多種技術，其中主要有多(duo)晶金剛石襯底 GaN散熱技術、單晶金剛石襯底散熱技術、高導熱金剛石鈍化層散熱技術等。
GaN基器(qi)件金剛石襯底(di)的(de)制備技術
一、多(duo)晶金剛(gang)石襯底GaN散熱技術
目前采用多晶金剛石(shi)制(zhi)備(bei)GaN基器件襯底的技術主要分兩種方式：基于低溫鍵合技術和(he)基(ji)于(yu)GaN外延層生長金剛(gang)石技(ji)術。
（1）低溫鍵合技術
最先開展GaN/金剛石低溫鍵合方法的是BAE Systems（英國航空航天公司），其技術路線是，首先在SiC基GaN外延層制備HEMT器件（即高電子遷移率晶體管），然后將GaN基HEMT晶片鍵合在臨時載體晶片（Temp Carrier）上，去除SiC襯底和部分GaN的形核層和過渡層，并將其表面和金剛石襯底加工到納米級粗(cu)糙度；隨(sui)后在GaN和(he)金剛石(shi)襯底分別沉積鍵合(he)介質(zhi)（鍵合介質可(ke)能(neng)為SiN、BN、AlN等），在低于150℃的溫度鍵合，最后去除臨時載體晶片，最終獲得金剛石襯底GaN HEMT器件。
目(mu)前采用(yong)該技術路線將金剛石襯(chen)底GaN晶片推廣到3~4英寸。
金(jin)剛石(shi)襯底
低溫鍵(jian)合(he)技術具有使用高質(zhi)量、高導熱率的金剛石(shi)襯底及鍵(jian)合(he)過程不存(cun)在高
溫和氫(qing)等離子體環境的優勢，同時(shi)也(ye)獲得了良(liang)好的電學(xue)特性和散(san)熱效果。然(ran)而該技術(shu)路線的難點(dian)在于大尺寸金剛石(shi)襯底(di)的高(gao)精度(du)加工，尤(you)其是(shi)對平行度、變形量及表(biao)面(mian)粗糙度的極(ji)高要求；去除原(yuan)始(shi)襯底后GaN外延(yan)層表面的高精度(du)加(jia)工(gong)等，實(shi)現鍵(jian)合(he)層的低熱(re)阻和高質量(liang)鍵(jian)合(he)強度也是(shi)實現(xian)器件制備的關鍵。
（2）基于GaN外(wai)延層背面直接生(sheng)長(chang)金(jin)剛石
基于(yu)GaN外(wai)延層背面直接生長金剛石的(de)方法與低(di)溫鍵合技術不同之處(chu)是，去除襯(chen)底及部分GaN緩沖層(ceng)后，在外延層(ceng)背面(mian)首先(xian)沉(chen)積一層(ceng)介電層(ceng)用于保護(hu)GaN外延層，而后再(zai)沉積金剛(gang)石(shi)襯(chen)底（厚度~100μm）。
金(jin)剛(gang)石襯(chen)底(di)GaN基(ji)器件的制備流程
需要注(zhu)意的是(shi)，雖然直接(jie)沉(chen)積法在(zai)散熱(re)能力方面體現出極為突(tu)出的優勢，但(dan)是(shi)研究結果表明，該技術由于涉(she)及到高(gao)溫沉積，對熱失配控制是(shi)重大挑(tiao)戰；GaN外延層臨時轉移后沉積金剛石膜過程中也存在損傷風險；金剛石形核層較低的熱導率不利于其熱傳輸。
然而相較于鍵合(he)技術獲(huo)得(de)的(de)金剛石(shi)基GaN，該技術可以使界面熱阻降到更低，這也說明該技術在制備金剛石基GaN方面也具有極大潛力。
二、單晶金(jin)剛石(shi)襯(chen)底(di)外延(yan)GaN
隨著單晶(jing)金(jin)剛石制備技(ji)術不斷發展和完善(shan)，單晶(jing)金(jin)剛石襯底(di)直接外(wai)延GaN 晶片也被用于改善散熱需求。
有研(yan)究者在單晶金剛(gang)石襯底(di)上采用(yong)分子(zi)束外(wai)延技術(shu)(MBE)外(wai)延沉(chen)積得到GaN外延層，隨后在此基礎上又沉積出AlGaN/GaN異質結材料，基于此制備(bei)出GaN基HEMTs。
AlNGaN/GaN HEMTs在(zai)金(jin)剛石和SiC襯底(di)上的溫(wen)升對(dui)比
但這種(zhong)方法采(cai)用(yong)單晶金(jin)剛石襯底外延GaN實現了AlNGaN/GaN HEMTs的異質外延和器件制備，但是難度依然極大，GaN和金剛石的晶格常數和熱膨脹系數差異巨大，也給制備帶來巨大困難，此外單晶尺寸和成本進一步限制其應用。
三、高導(dao)熱(re)金(jin)剛石鈍化層散熱(re)技(ji)術(shu)
這種(zhong)方法一般(ban)是在晶體(ti)管(guan)器件表(biao)面(mian)生長一層納米金剛石薄(bo)膜，從散熱效果來(lai)看納米金剛石包覆可以顯(xian)著提高器件的(de)性能，其(qi)橫向熱(re)導(dao)率與初始幾(ji)微米厚密切相關，最(zui)重(zhong)要的(de)是(shi)金剛石層與熱(re)源接近，使得這種方(fang)法(fa)比其(qi)他的(de)熱(re)控方(fang)法(fa)更(geng)有利，特(te)別(bie)是(shi)脈沖器件。
不同(tong)鈍化層(ceng)的GaN基HEMT散熱能力對比
盡(jin)管采用該(gai)技(ji)術具有(you)巨(ju)大潛(qian)力，但是在制(zhi)作(zuo)HEMTs的過程中，沉積納米金剛石薄膜往往受到器件工藝條件的限制，沉積溫度一般較低，納米金剛石膜的熱導率并不高，這些都限制了該技術的應用和推廣。
總(zong)結
與傳統(tong)襯底GaN基功率器件相比，金剛石襯底 GaN 器件具有更高的散熱能力，下一代金剛石基GaN技術將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統，為5G和6G移(yi)動通信網絡(luo)和(he)更復雜的雷達系統鋪平道路。
然而金剛石襯底(di)與GaN外延層的結合技術并未成熟，還存在許多難題亟需解決，距離產業化尚有距離。未來金(jin)剛石襯(chen)底與GaN外延層結合技術的研究將趨于以下幾個方面：
（1）針對低(di)溫鍵合(he)技(ji)術(shu)主要(yao)以降低(di)金(jin)剛石加工成本，實現鍵合(he)層的(de)低(di)熱阻和高(gao)質量鍵合(he)強度(du)為目標；
（2）針對(dui)GaN外延層背面沉積技術，以實現GaN外延層的高效率轉移，提高金剛石形核層熱導率，提高GaN外延層轉移后電學特性，實現GaN外延層沉積金剛石襯底的大面積為研究方向；
（3）其(qi)他技術手段主要存在單(dan)晶(jing)金(jin)(jin)剛石襯底尺寸小(xiao)、納米(mi)金(jin)(jin)剛石鈍化層沉(chen)積工藝與器件加工的(de)兼容性等問題，這都將極大(da)限制(zhi)這些技術手段的(de)發展和應用。
解(jie)決上(shang)述問題，將為 GaN 功率器件實現高頻、高功率應用，提供廣闊前景，并帶來更大效益。
參考來(lai)源：
1. 金剛石散熱襯底在GaN基功率器件(jian)中的應用(yong)進展，賈鑫、魏俊俊、黃亞博、邵思武、孔月嬋、劉金龍(long)、陳(chen)良(liang)賢、李成(cheng)明(ming)、葉海濤 （北(bei)京科技(ji)大(da)學、南京電子器件(jian)研究(jiu)所(suo)）；
2. 金剛石基氮化鎵(GaN)技術的未(wei)來展望。
粉(fen)體圈 小吉
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