發(fā)布時(shí)間：2021-08-03 06:29

　　氮化鎵（GaN）基功率器件性能的充分發(fā)揮受到沉積GaN的襯底低熱導(dǎo)率的限制,具有高熱導(dǎo)率的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石,成為GaN功率器件熱擴(kuò)散襯底材料的優(yōu)良選擇。相關(guān)學(xué)者在高導(dǎo)熱金剛石與GaN器件結(jié)合技術(shù)方面開展了多項(xiàng)技術(shù)研究,主要包括低溫鍵合技術(shù)、GaN外延層背面直接生長金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)。對(duì)GaN功率器件散熱瓶頸的原因進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)述,并對(duì)上述各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和評(píng)述,揭示了各類散熱技術(shù)的熱設(shè)計(jì)工藝開發(fā)和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn),并認(rèn)為低溫鍵合技術(shù)具有制備溫度低、金剛石襯底導(dǎo)熱性能可控的優(yōu)勢(shì),但是大尺寸金剛石襯底的高精度加工和較差的界面結(jié)合強(qiáng)度對(duì)低溫鍵合技術(shù)提出挑戰(zhàn)。GaN外延層背面直接生長金剛石則具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度,但是涉及到高溫、晶圓應(yīng)力大、界面熱阻高等技術(shù)難點(diǎn)。單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)則分別受到單晶金剛石尺寸小、成本高和工藝不兼容的限制。因此,開發(fā)低成本大尺寸金剛石襯底,提高晶圓應(yīng)力控制技術(shù)和界面結(jié)合強(qiáng)度,降低界面熱阻,提高金剛石襯底GaN器件性能方面,將是未來金剛石與GaN器件結(jié)合技術(shù)... 

【文章來源】：表面技術(shù). 2020,49(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

金剛石襯底GaN的低溫鍵合技術(shù)[34,36-37]

第49卷第11期賈鑫等：金剛石散熱襯底在GaN基功率器件中的應(yīng)用進(jìn)展·113·圖1傳統(tǒng)的AlGaN/GaNHEMT的散熱路徑示意圖[10]及器件的平均失效間隔時(shí)間與溫度的關(guān)系[18]Fig.1SchematicdiagramofAlGaN/GaNHEMTwiththermalpaththroughsubstrate(a)[10],arrheniusplotshowingameantimetofailureplot(b)[18]表1各種襯底材料及GaN的常見性能[24-27]Tab.1PropertiesofvarioussubstratematerialsandGaNlayer[24-27]ParametersAl2O36H-SiCSiDiamondGaNLattice(Mismatch)/%16.13.54111—Cofficientofthermalexpansion/(106K1)7.54.22.6~1.05.59CTE(Mismatch)/%–25235673—Thermalconductivity/(Wm1·K1)2749015020001302多晶金剛石襯底GaN散熱技術(shù)最早將高熱導(dǎo)率金剛石作為GaN功率器件散熱襯底的是G.H.Jessen和FelixEjeckam等人[30-31]。其基本理念是使高熱導(dǎo)率金剛石足夠近的接觸器件有源區(qū)（產(chǎn)熱區(qū)域），通過熱傳導(dǎo)的方式將熱量迅速傳輸出去。目前制備金剛石襯底GaN基器件技術(shù)主要分兩種方式：基于低溫鍵合技術(shù)和基于GaN外延層生長金剛石技術(shù)。其中低溫鍵合的基本思路是將GaN外延層從原始的Si襯底上剝離下來，然后在暴露的GaN表面添加中間層，從而與多晶金剛石襯底結(jié)合，使GaN基器件的有源區(qū)與CVD金剛石襯底接觸，降低功率器件結(jié)溫；而外延生長技術(shù)則是在GaN基底上，通過襯底轉(zhuǎn)移以及CVD生長方式直接生長出金剛石熱擴(kuò)散層。兩種方式各有優(yōu)劣，并且均取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。2.1低溫鍵合技術(shù)最先開展GaN/金剛石低溫鍵合方法的是BAESystems（英國航空航天公司）[32-35]，其技術(shù)路線如圖2a所示，首先在SiC基GaN外延層制備HEMT器件，然后將GaN基HEMT晶片鍵合在臨時(shí)載?

在GaN基功率器件中的應(yīng)用進(jìn)展·117·GaN之間的界面熱阻。而JungwanCho[71]采用30nm厚的SiN作為介電層，獲得了金剛石襯底與GaN之間的界面熱阻為29(m2K)/GW。DongLiu[72]采用粒徑為30nm和100nm的納米金剛石粉進(jìn)行引晶，制備金剛石襯底GaN晶片，認(rèn)為采用更小粒徑的納米金剛石粉進(jìn)行引晶，GaN/金剛石界面無微觀缺陷，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，界面熱阻更均勻。YanZhou等人[73]對(duì)比了5nm厚的SiN和AlN薄膜作為介電層對(duì)界面熱阻的影響，并采用5nm厚的SiN作為介電層，獲得了已報(bào)道最低的界面熱阻~6.5(m2K)/GW（圖5）。Yates[74]分別研究了無介電層、5nm厚的AlN、5nm厚的SiN介電層對(duì)界面熱阻和界面結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為采用5nm厚的SiN介電層獲得的界面熱阻<10(m2K)/GW；同時(shí)電子能量損失譜顯示，在SiN和金剛石界面處形成了Si—C—N層，該層的存在可以提高界面結(jié)合力。XinJia[75]采用瞬態(tài)熱反射技術(shù)測量采用100nm厚的AlN、SiN作為介電層的界面熱阻，認(rèn)為介電層表面電荷狀態(tài)對(duì)金剛石形核和界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響�？傊�，學(xué)者認(rèn)為采用更小粒徑的納米金剛石粉預(yù)處理介電層表面、更薄的介電層、增強(qiáng)GaN/金剛石的界面結(jié)合強(qiáng)度、降低界面處缺陷，可以使界面熱阻更均勻、更低。圖5金剛石與GaN的透射電鏡界面形貌、金剛石與GaN的界面熱阻、形核層金剛石的有效熱導(dǎo)率[73]Fig.5TransmissionelectronmicroscopymicrographsofcrosssectionsofGaN-on-diamondinterfaces,effectivethermalboundaryresistancebetweendiamondandGaN,andeffectivethermalconductivityofthefirstmicrometerofdiamond[73]北京科技大學(xué)作為國內(nèi)最早開展GaN外延層背面直接生長技術(shù)的研究單位，首先研究了GaN外延層在微波氫等離子環(huán)境中的分?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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