氮化镓晶体管散热革命与高性能电子器件的未来 | 金刚石大会

氮化镓（GaN）作为一种宽禁带半导体材料，近年来在微波和功率电子领域中获得了广泛关注和应用。与传统的硅（Si）和砷化镓（GaAs）材料相比，氮化镓具备多项显著优势，使其成为高频、高功率电子器件的首选材料之一。首先，GaN具有较大的禁带宽度（约3.4 eV），这使其能够在高电压和高温条件下保持稳定工作。相比之下，硅的禁带宽度仅为1.1 eV，这限制了硅基器件在高功率应用中的使用寿命和性能。更大的禁带宽度意味着GaN器件能够承受更高的电场强度和电压，从而在高功率电子设备中展现出更优异的性能。

图源：公开网络

其次，氮化镓具备较高的电子饱和速度和电子迁移率，这使得GaN基器件在高频领域具有明显的优势。电子饱和速度是指电子在强电场下的最大漂移速度，较高的电子饱和速度意味着氮化镓器件能够在高频操作下实现更快的响应速度。因此，在射频通信、雷达、无线基站等高频应用中，GaN基器件远优于硅基器件。此外，GaN材料的高击穿电场强度也使其在高功率应用中能够在较小的体积下实现更高的功率密度，从而推动了功率半导体器件的微型化。

然而，随着氮化镓基器件向着更高功率密度和更小尺寸的方向发展，散热问题也日益严峻。GaN基微波功率器件在高功率和高频操作下产生的热量大大增加，如果散热不当，器件的性能和可靠性将大打折扣。正是在这一背景下，散热材料的选择变得至关重要。

在当前的技术条件下，传统的散热材料如铜、铝或硅基材料已无法满足GaN器件的散热需求。因此，寻求具有更高热导率的材料成为了解决这一问题的关键。金刚石作为天然物质中热导率最高的材料，展现了极高的应用潜力。其热导率可达到2000 W/m·K，远远超过铜（约400 W/m·K）和硅（约150 W/m·K），能够有效地将GaN器件运行时产生的大量热量迅速传导并散发出去。通过将金刚石与GaN材料结合，可以显著提升器件的散热性能，降低工作温度，进而提高器件的整体性能和使用寿命。

目前实现GaN-on-diamond结构主要有以下3种途径：键合法、在GaN外延层或HEMT器件上外延生长金刚石、在金刚石衬底上外延生长GaN器件。由于GaN和金刚石之间具有较大的晶格失配和热失配，这3种方法制备的GaN-on-diamond都面临应力大、界面粗糙和热边界电阻大等问题。其中，界面热阻的存在，使得热量集中在GaN和金刚石的界面，极大影响了器件的可靠性。基于此，本文列举了近几年科研人员用不同方法制备GaN-on-diamond晶圆的研究进展、材料的性能以及制备的HEMT器件。

用于HEMTs器件的氮化镓/金刚石晶圆 图源：公开网络

大阪市立大等实现GaN与金刚石的直接键合，有望解决半导体发热问题

由大阪市立大学的梁剑波副教授和重川直辉教授领衔的研究团队，联合东北大学金属材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授、清水康雄博士（现任职于国立研究开发法人物质材料研究机构NIMS），佐贺大学理工学部的嘉数诚教授等成功实现了氮化镓（GaN）与金刚石的直接结合。这一技术突破显著提升了GaN晶体管的散热效率，有望将器件温升降至原先的四分之一。

该研究团队首先在硅衬底上制作了一个3 μm厚的氮化镓层和一个1 μm厚的3C-SiC 缓冲层（3C-SiC，立方晶系中的一种），然后从硅衬底上剥离这两层，随后应用表面活化键合技术，在环境温度条件下，实现了在硅基板上生长的氮化镓（GaN）薄膜与金刚石基板的直接结合。研究团队还在氮气氛围中对剥离了硅基底的GaN/金刚石结构进行了高温处理，验证了其在1000摄氏度高温下结合的稳定性。通过透射电子显微镜（TEM）分析，研究者们观察到高温处理显著改善了键合界面的纳米级结构，特别是将非晶质层的厚度从5.3纳米减少至1.5纳米。进一步的分析揭示了在高温处理后，金刚石基板中的非晶质层发生了再结晶，且界面处的碳、镓、氮原子的分布及其键合状态均得到了优化。这些发现证实了热处理对于提升GaN与金刚石之间键合质量的重要性。

作为对照组实验，研究团队用在碳化硅衬底上制造的相同形状的晶体管进行了比较，以验证用相同方法在金刚石衬底上制造的氮化镓晶体管的散热情况。结果证实，在金刚石衬底上的晶体管的散热能力比在碳化硅衬底上的晶体管提高大约 2.3 倍。此外，他们实验得到的金刚石衬底上的晶体管比之前其他研究中在金刚石衬底上制作的晶体管实现了更好的散热效果，晶体管的特性也得到了显著改善。

GaN/金刚石键合界面的截面TEM图像（a：实施热处理前，b：实施1,000℃的热处理后）图源：公开网络

金刚石-碳化硅复合衬底：作为 GaN 基器件高效散热器的新策略

山东大学的科研团队提出了一种新型散热策略，通过构建金刚石-碳化硅（SiC）复合基板，有效解决了氮化镓（GaN）基晶体管的自加热问题。研究团队设计并实现了在4H-SiC基板上直接生长多晶金刚石，随后将SiC基板减薄至最佳厚度，以形成金刚石-SiC复合基板。通过模拟和实验验证，与GaN-on-SiC技术相比，GaN-on-金刚石/SiC结构在基础温度25°C和耗散功率7.2 W mm-1的条件下，表面温度降低了52.5°C，热阻降低了约41%。

研究团队首先使用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术在4H-SiC基板上直接生长多晶金刚石薄膜。然后，通过研磨和化学机械抛光（CMP）技术将SiC基板减薄至200微米，以获得金刚石-SiC复合基板。接着，在复合基板上外延生长AlGaN/GaN异质结构，并制备了未栅控晶体管。通过模拟和实验，研究了这些结构的热效率，并与相同设计的GaN-on-SiC结构进行了比较。实验结果表明，金刚石-SiC复合基板在散热方面表现出色，能够有效降低器件的表面温度和热阻。

(a)金刚石/SiC上GaN结构示意图。(b)抛光后的GaN异质结构、SiC、金刚石的AFM图像。(c)金刚石-SiC复合衬底上GaN异质结构的XRD光谱和(d)拉曼光谱。图源：公开网络

这种新型的散热材料组合具有广泛的应用前景，未来利用金刚石衬底实现大面积氮化镓晶体管，有望扩大高功率半导体元件在 5G 通信基站、气象雷达和卫星通信等领域的应用范围。此外，由于其高效的散热性能，金刚石+氮化镓还可以用于制造更小、更轻、更可靠的电子设备。随着科技的不断进步，相信这种新型的散热材料组合将会在未来发挥越来越重要的作用。

第八届国际碳材料大会暨产业展览会

——宽禁带半导体及超精密加工论坛&金刚石前沿应用及产业发展论坛

第八届国际碳材料大会暨产业展览会（Carbontech 2024），将于12月5-7日在上海新国际展览中心召开。

针对新型半导体（金刚石、氧化镓、氮化镓、碳化硅、AlN……）以及超精密加工（材料、工艺、设备）设置宽禁带半导体及超精密加工论坛、金刚石前沿应用及产业发展论坛两大论坛。展会针对金刚石及其功能化应用主题、半导体超精密加工设置10000㎡专题展区，将展示最新金刚石晶圆、量子钻石、热沉金刚石等功能化产品及相关器件，欢迎莅临现场交流、合作。

Carbontech 2024 W1馆部分参展企业：