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2006年，美國Cree公司的Wu等人研制的GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT），4GHz時(shí)的輸出功率密度達(dá)到 41.4W/mm。近十多年來，氮化鎵（GaN）的研究熱潮席卷了全球的電子工業(yè)。

氮化鎵（GaN）基半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，是近20余年以來研制微波功率器件最理想的半導(dǎo)體材料。隨著外延材料晶體質(zhì)量的不斷提高和器件工藝的不斷改進(jìn)，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和電路，工作頻率越來越高，輸出功率越來越大，器件尺寸也越來越小，過熱的問題越來越突出，逐漸成為制約這種器件向更高性能提升的障礙之一。

采用高熱導(dǎo)率金剛石作為高頻、大功率 GaN基器件的襯底或熱沉，可以降低器件的自加熱效應(yīng)，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現(xiàn)的功率密度迅速下降的問題，因此在國際上成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

金剛石在GaN基HEMT中的應(yīng)用潛力

4英寸金剛石基GaN晶圓

金剛石具有禁帶寬度大、硬度和熱導(dǎo)率極高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗腐蝕、抗輻照等優(yōu)異性能，在高壓和高效功率電子、高頻和大功率微電子、深紫外光電子等領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用前景。金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率（2200Ｗ/ｍ·Ｋ），比碳化硅（SiC）大４倍，比硅（Si）大13倍，比砷化稼（GaAs）大 43倍，是銅和銀的4~5倍，所以，目前的一個(gè)重要研究方向是將金剛石作為大功率 GaN基微波器件的襯底或?qū)⑵鋺?yīng)用于其他散熱通道，有望解決 GaN 基微波器件隨總功率增加、頻率提高出現(xiàn)的功率密度迅速下降、效率降低和器件失效問題。此外，不摻雜的金剛石亦具有很高的電阻，這也非常有利于提高GaN功率單片微波集成電路（MMIC）的器件隔離度。

硅、碳化硅（SiC）、金剛石襯底GaN對(duì)比

硅襯底氮化嫁：這種方法比另外兩種良率都低，不過它的優(yōu)勢(shì)是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圓和大量射頻硅代工廠。因此，它很快就會(huì)以價(jià)格為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)對(duì)抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，理所當(dāng)然會(huì)威脅它們根深蒂固的市場(chǎng)。

碳化硅襯底氮化鎵：這是射頻氮化鎵的“高端”版本，SiC襯底氮化鎵可以提供最高功率級(jí)別的氮化鎵產(chǎn)品，可提供其他出色特性，可確保其在最苛刻的環(huán)境下使用。

金剛石襯底氮化鎵：將這兩種東西結(jié)合在一起是很難的，但是好處也是巨大的：在世界上所有材料中工業(yè)金剛石的熱導(dǎo)率十分優(yōu)異（因此最好能夠用來散熱）。使用金剛石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金剛石高導(dǎo)熱率優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，可以實(shí)現(xiàn)非常接近芯片的有效導(dǎo)熱面。

幾種典型半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

金剛石作為襯底在GaN基HEMT中的研究歷程

2001年，德國的Seelmann-Eggebert等人就從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討了化學(xué)氣相沉積金剛石熱擴(kuò)散膜在GaN基HEMT中的應(yīng)用潛力。

2003年，F(xiàn)elix Ejeckam發(fā)明了金剛石上的GaN，以有效地從GaN晶體管中最熱的位置提取熱量，其基本理念是利用較冷的GaN放大器使系統(tǒng)更節(jié)能，減少浪費(fèi)。金剛石上的GaN晶片是通過GaN通道或外延將其從原始的Si襯底中剝離下來，而后通過一個(gè)35 nm的SiN界面層結(jié)合在CVD合成的金剛石襯底上。這種200°C的GaN通道與CVD形成納米級(jí)的金剛石是接近最導(dǎo)熱工業(yè)材料,它會(huì)大大降低放大器的基板和通道之間的溫度上升。下圖顯示了金剛石晶圓片上GaN的制作過程。多年來，許多課題組已經(jīng)量化了上述的熱改善。先將Si襯底GaN基HEMT晶圓片黏貼到一個(gè)臨時(shí)Si載片上，待原始的硅基板被蝕刻掉，然后利用CVD方法在GaN層下方的35 nm的界面層上沉積金剛石。最后，臨時(shí)的Si載體被蝕刻，最終的金剛石上的GaN晶圓被加工為HEMTs或MMICs。

金剛石晶圓片上GaN的制作過程

2007年，F(xiàn)rancis等對(duì)Si、藍(lán)寶石、SiC和金剛石等幾種GaN基 HEMT的常用襯底進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明，即使是與熱導(dǎo)率較高的SiC襯底相比，金剛石襯底GaN基HEMT的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，所研制的金剛石襯底 GaN基 HEMT，熱阻降低58%，輸出功率密度提高3倍

歐盟于2008年啟動(dòng) MORGaN項(xiàng)目（2008-11-01~2011-10-31），首先將高熱導(dǎo)率金剛石引入了GaN 基HEMT器件和電路的研制中，研究單晶金剛石襯底、納米金剛石表面覆膜等技術(shù)對(duì)GaN 基HEMT器件性能的影響。下圖給出了他們的一個(gè)早期研究結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)，在器件研制過程中引入納米金剛石表面覆膜，可以將襯底對(duì)器件的影響大大降低，提高器件的散熱能力。

歐盟MORGaN計(jì)劃研究結(jié)果

隨后，在2011年，美國國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）啟動(dòng)了 “近結(jié)熱傳輸 ”（HJTT）項(xiàng) 目（2011-2015），支持NGAS、BAE、Raytheon、TriQuint和RFMD 5個(gè)團(tuán)隊(duì)開展金剛石用于GaN基HEMT以解決器件散熱問題的研究。這些團(tuán)隊(duì)于2013年4月30日演示了所研制的基于金剛石的GaN 基HEMT，該晶體管顯示出比商用器件低得多的結(jié)溫，大幅改善了晶體管的熱特性，并且使射頻系統(tǒng)的性能得到提升。在保持相同輸出功率的情況下，新型放大器比目前最先進(jìn)的氮化鎵放大器尺寸減小3倍，從而使得射頻系統(tǒng)的尺寸更小、重量更輕、功耗更低；在保持相同尺寸的情況下，該新型功率放大器可增大輸出功率3倍，使得通信系統(tǒng)的信號(hào)更強(qiáng)、雷達(dá)裝備的探測(cè)距離更遠(yuǎn)。

2012年，Hirama等常用的使用SiC為襯底的HEMT 結(jié)構(gòu)與使用金剛石為襯底的HEMT結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行了測(cè)量，在柵寬630um，輸出功率2W 的條件下，器件溫度最高處分別為36℃與46℃，與室溫相比分別上升了13℃和23℃，下圖所示。由此計(jì)算得使用金剛石襯底的HEMT 熱阻值為4.1 K·mm·W-1，是目前所報(bào)道的HEMT器件中的最低值。相比之下，相同結(jié)構(gòu)使用SiC襯底的HEMT器件的熱阻為7.2 K·mm·W-1，約是使用金剛石襯底的器件熱阻的2倍。

2013年，美國Group4的研究人員對(duì)金剛石襯底 GaN基 HEMT器件的可靠性進(jìn)行了研究，器件在溝道溫度 200℃下175000 h的試驗(yàn)過程中，電流變化最大不超過10%，顯示了金剛石襯底 GaN基 HEMT在長(zhǎng)期可靠性方面的優(yōu)勢(shì)。

2017年，富士通公司和富士通實(shí)驗(yàn)室宣布開發(fā)出第一種在室溫下將單晶金剛石鍵合到SiC基板上的技術(shù)。這克服了之前在非常高的溫度下進(jìn)行GaN與金剛石鍵合時(shí)的最大挑戰(zhàn)之一：由于熱膨脹系數(shù)（CTE）的不匹配而導(dǎo)致的晶片彎曲。

通過用極薄的金屬膜保護(hù)金剛石表面，富士通成功地防止了損傷層的形成，并通過“室溫鍵合”技術(shù)將單晶金剛石鍵合到SiC襯底上。使用實(shí)際測(cè)量的熱參數(shù)進(jìn)行仿真確認(rèn)使用該技術(shù)的器件熱阻將降低至現(xiàn)有的61％。該技術(shù)保證了GaN功率放大器在應(yīng)用于氣象雷達(dá)等系統(tǒng)時(shí)能夠以約1.5倍的更高功率工作。

2017年3月，RFHIC宣布他們已從元素六公司收購了金剛石基GaN技術(shù)，并計(jì)劃在2018年底前將該工藝商業(yè)化。自2016年以來，他們一直在使用金剛石基GaN技術(shù)，并在其聲明中稱“在可預(yù)見的未來，RFHIC將與元素六和代工合作伙伴密切合作，實(shí)現(xiàn)10000個(gè)6英寸金剛石基GaN的年產(chǎn)出。RFHIC的技術(shù)路線圖是在2018年底前發(fā)布覆蓋40 GHz的金剛石基GaN解決方案?！?/p>

國內(nèi)重點(diǎn)研究金剛石襯底GaN基HEMT的單位主要集中在中電集團(tuán)、中科院半導(dǎo)體所、西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等，并相繼取得突破，掌握了高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石單晶材料制備的MPCVD和RFCVD技術(shù)，實(shí)現(xiàn)英寸級(jí)單晶金剛石襯底及其關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化。

未來展望

基于多晶金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、基于單晶金剛石的材料直接外延技術(shù)和基于納米金剛石薄膜的器件表面覆膜技術(shù)，在解決高頻、大功率GaN基HEMT的散熱方面都具有非常重要的應(yīng)用潛力。下一代金剛石基GaN技術(shù)將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統(tǒng)，為5G和6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和更復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)鋪平道路。

第四屆國際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)已邀請(qǐng)中國電子科技集團(tuán)公司首席專家，中國電科13所專用集成電路國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，馮志紅副總工程師分享《高質(zhì)量金剛石材料及其在微波功率器件的應(yīng)用》，以下是具體信息。

個(gè)人簡(jiǎn)介
       馮志紅，博士，研究員，博導(dǎo)，畢業(yè)于香港科技大學(xué)電機(jī)與電子工程系，現(xiàn)任河北半導(dǎo)體所專用集成電路國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任，副總工程師，中國電子科技集團(tuán)公司首席專家，國際電工委員會(huì)（IEC）專家。發(fā)表SCI/EI論文共計(jì)100余篇。研究方向涉及寬禁帶半導(dǎo)體GaN，石墨烯、金剛石和固態(tài)太赫茲等技術(shù)領(lǐng)域。

報(bào)告題目：高質(zhì)量金剛石材料及其在微波功率器件的應(yīng)用

內(nèi)容簡(jiǎn)介：金剛石具有優(yōu)異的性質(zhì)，例如最高的熱導(dǎo)率，高臨界擊穿電場(chǎng)，高載流子遷移率，高飽和漂移速度以及寬的禁帶寬帶，是制作高頻高功率器件的理想候選材料。金剛石特殊的晶體結(jié)構(gòu)使其難以摻雜，氫處理可以獲得表面氫終端p型導(dǎo)電溝道。但是，對(duì)于高頻高功率應(yīng)用，金剛石二維空穴氣的方阻仍然很高，遷移率低，使得氫終端金剛石場(chǎng)效應(yīng)晶體管的寄生電阻大，限制其性能。本工作中，研究了氫終端金剛石二維空穴氣的輸運(yùn)特性。單晶和多晶氫終端金剛石的遷移率滿足關(guān)系，表明離化雜質(zhì)散射起主導(dǎo)作用。制作了單晶和多晶金剛石MESFET和MOSFET器件。研究了晶體質(zhì)量，器件結(jié)構(gòu)柵長(zhǎng)，源漏間距等對(duì)氫終端金剛石射頻性能的影響。

報(bào)名聯(lián)系

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