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用于下一代功率器件的金剛石基 GaN

李平 ? 來源:lining870815844 ? 作者:lining870815844 ? 2022-08-08 11:35 ? 次閱讀

由佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的一個團(tuán)隊實施了一系列基于室溫表面活化鍵合(SAB)的結(jié)果,以鍵合具有不同夾層厚度的 GaN 和單晶金剛石。新開發(fā)的技術(shù)最大限度地提高了氮化鎵性能,以實現(xiàn)更高功率的操作。

將 GaN 與其他材料集成在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。很難將金剛石和GaN與導(dǎo)熱界面和界面處的低應(yīng)力結(jié)合。該建模使GaN器件能夠充分利用單晶金剛石的高導(dǎo)熱性,從而為大功率解決方案實現(xiàn)出色的冷卻效果。由于其他標(biāo)準(zhǔn)過程中的熱膨脹系數(shù)不同,環(huán)境溫度過程不會引起物理應(yīng)力問題。

介紹

電力電子行業(yè)已經(jīng)看到硅 MOSFET 達(dá)到的理論極限,現(xiàn)在需要轉(zhuǎn)向新元件。氮化鎵(或 GaN)是一種寬帶隙、高電子遷移率半導(dǎo)體,已被證明是滿足新應(yīng)用的真正附加值。基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性,是高壓和高開關(guān)頻率電機(jī)控制應(yīng)用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。

GaN 是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此,它的禁帶(對應(yīng)于電子從價帶傳遞到導(dǎo)帶所需的能量)比硅中的禁帶寬得多:實際上,它約為 3.4 電子伏特,而 1.12硅的 eV。由于所需的能量如此之高,GaN 需要比硅更薄 10 倍的材料來阻擋特定電壓,從而使器件尺寸更加緊湊。GaN HEMT 更高的電子遷移率導(dǎo)致更快的開關(guān)速度,因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。上升時間越快,漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 值越低,GaN 可實現(xiàn)的柵極和輸出電容降低,所有這些都有助于其低開關(guān)損耗和在比硅高 10 倍的開關(guān)頻率下工作的能力。減少功率損耗會帶來額外的好處,例如更高效的配電、更少的熱量產(chǎn)生和更簡單的冷卻系統(tǒng)。

GaN 的性能和可靠性與通道上的溫度和焦耳熱效應(yīng)有關(guān)。集成到 GaN 中的 SiC 和金剛石等基板可以改善熱管理。這使得降低設(shè)備的工作溫度成為可能。對于 GaN-on-SiC 器件,溝道溫度降低 25 度將導(dǎo)致器件壽命增加約 10 倍。GaN 器件已廣泛應(yīng)用于光電子、射頻和汽車領(lǐng)域。

金剛石的熱導(dǎo)率是硅的 14 倍,電場電阻是其 30 倍。高導(dǎo)熱性允許熱量傳播。金剛石的帶隙為 5.47 eV,擊穿場為 10 MV/cm,電子遷移率為 2200 cm 2 Ns,熱導(dǎo)率約為 21 W/cmK。

佐治亞理工學(xué)院、明成大學(xué)和早稻田大學(xué)的團(tuán)隊開發(fā)的新技術(shù)允許將高導(dǎo)熱材料放置在更靠近氮化鎵有源器件區(qū)域的位置,從而最大限度地提高氮化鎵的性能,以實現(xiàn)更高的功率操作。金剛石基氮化鎵市場主要用于國防雷達(dá)和衛(wèi)星通信,目前5G基站的量產(chǎn)也在進(jìn)行中。

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圖 1:GaN-On-Diamond 應(yīng)用概述 [Source Yole Développement (Yole)]

“GaN-on-Diamond 在設(shè)備和系統(tǒng)級別提供了高導(dǎo)熱性、高電阻率和小尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。Yole Développement 的技術(shù)和市場分析師 Ezgi Dogmus 解釋說,這些優(yōu)勢使金剛石基 GaN 功率放大器器件對高功率射頻應(yīng)用非常有吸引力,例如商業(yè)基站、軍用雷達(dá)應(yīng)用以及衛(wèi)星通信和氣象雷達(dá)。他補(bǔ)充說:“這種創(chuàng)新的設(shè)備技術(shù)已經(jīng)開發(fā)了十多年,預(yù)計未來幾年將由 RFHIC、Akash Systems 和三菱電機(jī)等領(lǐng)先的工業(yè)參與者進(jìn)行商業(yè)推廣。”

GaN 和金剛石特性

GaN 基 HEMT 的最大輸出功率受到溝道襯底高溫的限制,這會降低系統(tǒng)性能和可靠性。金剛石是目前導(dǎo)熱系數(shù)最高的材料,通過與氮化鎵的集成,有助于消散通道附近產(chǎn)生的熱量。

“在 HEMT 器件工作期間,柵極附近的大電壓降會引起局部焦耳熱。加熱區(qū)域位于幾十納米范圍內(nèi),從而產(chǎn)生超高的局部熱通量。GaN基HEMT的局部熱通量值可以達(dá)到太陽表面的10倍以上。適當(dāng)?shù)纳峒夹g(shù),例如將金剛石盡可能靠近熱點,可以有效降低通道溫度,促進(jìn)器件穩(wěn)定性和壽命,”最近獲得佐治亞理工學(xué)院博士學(xué)位的鄭哲說。畢業(yè)論文第一作者,現(xiàn)為UIUC博士后。

目前使用的技術(shù)包括通過化學(xué)氣相 (CVD) 在 GaN 上直接生長金剛石,并使用介電層作為保護(hù)層,因為金剛石生長過程中的等離子體會損壞 GaN。材料的熱阻與界面的結(jié)合被證明在熱流管理中起著關(guān)鍵作用,特別是對于開關(guān)電源的高頻應(yīng)用。CVD金剛石的生長溫度在700℃以上。當(dāng)器件冷卻到室溫時,界面處的應(yīng)力會使晶片破裂。此外,粘附層增加了 GaN-金剛石界面的熱阻,這抵消了金剛石基板高導(dǎo)熱性的好處。

佐治亞理工學(xué)院、明成大學(xué)和早稻田大學(xué)的團(tuán)隊提出的研究使用兩種改進(jìn)的 SAB 技術(shù)在室溫下將 GaN 與具有不同中間層的金剛石襯底結(jié)合。兩個待鍵合表面通過 Ar 離子束清潔和活化,在表面產(chǎn)生懸空鍵。然后在室溫下將兩個表面壓在一起。懸空鍵將在界面處形成共價鍵。在他們的工作中,在界面處添加了一些硅原子以增強(qiáng)界面鍵合。“結(jié)合是在明成大學(xué)和早稻田大學(xué)(Fengwen Mu 和 Tadatomo Suga)完成的。然后在喬治亞理工學(xué)院(Zhe Cheng、Luke Yates 和 Samuel Graham)通過時域熱反射 (TDTR) 測量粘合界面。

TDTR 用于測量熱性能。材料表征可以通過高分辨率掃描電子顯微鏡 (HR-STEM) 和電子能量損失光譜 (EELS) 進(jìn)行。

時域熱反射 (TDTR)

時域熱反射 (TDTR) 是一種采用超快飛秒激光器的泵浦探測技術(shù),可測量 GaN-金剛石界面的熱邊界電導(dǎo)。該技術(shù)使用在 1 到 12 MHz 之間調(diào)制的超快激光來控制熱穿透深度。與泵浦脈沖相比,探針脈沖延遲 0.1 到 7 ns,以允許在這段時間內(nèi)測量相對表面溫度的衰減。鎖定放大器允許提取由光電探測器拾取的讀取信號。溫度變化是通過薄金屬換能器 (50-100 nm) 的反射率變化來測量的。該系統(tǒng)能夠測量 0.1 到 1000 W/mK 之間的熱導(dǎo)率和 2 到 500 m2-K/G 之間的熱邊界電阻。使用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器。

制造和測試

在佐治亞理工學(xué)院和明成大學(xué)提出的這項研究中,通過在界面處添加一些硅原子來幫助 GaN 與金剛石結(jié)合,以幫助界面的化學(xué)粘附并降低熱接觸傳導(dǎo)。熱邊界傳導(dǎo)(或 TBC)描述了固體-固體界面之間的熱傳導(dǎo)。相關(guān)系數(shù)是指示跨界面?zhèn)鲗?dǎo)熱量的能力的屬性。

該團(tuán)隊使用了兩個樣本。第一個樣品由結(jié)合在商業(yè)單晶金剛石襯底(通過 CVD 生長)上的薄層 GaN(~700 nm)組成,Si 夾層厚度約為 10 nm。另一個樣品在通過高壓高溫法 (HPHT) 生長的商用單晶金剛石襯底上結(jié)合了約 1.88 微米厚的 GaN。GaN 的厚度被拋光到足夠薄以進(jìn)行 TDTR 測量(圖 2-4)。

使用以下樣品結(jié)構(gòu),測量了無 GaN 區(qū)域上的單個結(jié)晶金剛石襯底的熱導(dǎo)率。然后對具有 GaN 層的區(qū)域進(jìn)行 TDTR 測量,以測量 GaN-金剛石結(jié)構(gòu)的 TBC。

“測得的金剛石基板的熱導(dǎo)率被用作調(diào)整 TDTR 數(shù)據(jù)的已知參數(shù),以在 GaN 層上方測量時提取 TBC。總體而言,存在三個未知參數(shù):Al-GaN TBC、GaN 熱導(dǎo)率和 GaN-金剛石 TBC。TDTR 是一種測量納米結(jié)構(gòu)材料和塊狀材料的熱性能的技術(shù)。一束調(diào)制激光束加熱樣品表面,而另一束延遲光束通過熱反射檢測表面溫度的變化,并由光電探測器捕獲”,鄭哲說。

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圖 2:(a) 金剛石和結(jié)合的 GaN-金剛石樣品的 TDTR 測量值。(b) 三個未知參數(shù)的 TDTR 靈敏度。(c) 室溫下調(diào)制頻率為 2.2 MHz 的 Samp2 TDTR 數(shù)據(jù)擬合
[來源:科學(xué)文章]

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圖 3:(ab)樣品 1 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。(cd)樣品 2 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。[來源:科學(xué)文章]

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圖 4:測試測量期間團(tuán)隊的一部分,Zhe Cheng 和 Sam Graham

審核編輯 黃昊宇

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