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近十年來，氮化鎵(GaN)的研究熱潮席卷了全球的電子工業(yè)? 

GaN具有禁帶寬度大(室溫下為3.39eV)?擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高(3.3MV/cm)?飽和電子速度大(2.5×10⁷cm/s)?熱導(dǎo)率高(1.5W·cm^-1·K^-1)、抗輻射能力強(qiáng)以及易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能等特點(diǎn)，非常適于研制高頻?大功率微波?毫米波器件和電路，在 5G 通訊、航天、國(guó)防等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

隨著無線通信和雷達(dá)等系統(tǒng)的工作頻率向毫米波頻段擴(kuò)展，由于材料本身特性的限制，第一代(例如硅等)和第二代(例如砷化鎵等)半導(dǎo)體器件的性能都已逼近其極限，無法滿足毫米波新興系統(tǒng)對(duì)功率放大器件在輸出功率?效率?工作帶寬和熱穩(wěn)定性等方面的要求?

表1：常見半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

以SiC、GaN和金剛石為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料脫穎而出，它們具有高擊穿電壓、高飽和遷移速度、抗輻照和耐高溫等前兩代半導(dǎo)體材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是由于SiC材料具有較低的電子遷移率，并不適合高頻高速應(yīng)用。金剛石幾乎在各項(xiàng)材料特性指標(biāo)上都領(lǐng)先GaN，但是GaN材料在工藝成熟度和制備成本上有更大的優(yōu)勢(shì)。因此，目前而言，GaN功率器件和射頻器件成為了雷達(dá)?電子戰(zhàn)和第五代移動(dòng)通信(5G)等系統(tǒng)在毫米波頻段重要的功率放大器件?

適合于高功率高頻率器件應(yīng)用的最基本的元件為GaN高電子遷移率晶體管（ HEMT）。但是隨著外延材料晶體質(zhì)量的持續(xù)提高和器件工藝的改進(jìn)，在小型化和功率增大化的條件下，GaN基微波功率器件的可靠性和穩(wěn)定性受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。

其中最主要的原因是GaN基功率器件隨著功率密度的增加，芯片有源區(qū)的熱積累效應(yīng)迅速增加，在接近柵極的地方會(huì)產(chǎn)生局部的數(shù)十納米大小的熱點(diǎn)，局部熱流密度可以達(dá)到太陽表面熱流密度的十倍以上。但這些熱量卻無法快捷有效地散發(fā)出去，這導(dǎo)致其各項(xiàng)性能指標(biāo)迅速惡化，壽命減少。盡管 GaN 功率器件的理論輸出功率密度可達(dá)40 W/mm 以上，但是由于現(xiàn)階段因其自身熱效應(yīng)問題導(dǎo)致GaN HEMT器件功率密度僅為3~5 W/mm。

圖1 ：GaN高電子遷移率晶體管示意圖

（來源：ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 8376?8384）

由于散熱的需求，GaN器件的襯底材料從藍(lán)寶石（33 W/m·K）、Si（導(dǎo)熱系數(shù)149 W/m·K），GaN（200W/m·K）發(fā)展到現(xiàn)在市場(chǎng)上的SiC（導(dǎo)熱系數(shù)380 W/m·k）。對(duì)比個(gè)各種基底材料，我們也可以看到，藍(lán)寶石基底導(dǎo)熱系數(shù)太低（33 W/m·K），而GaN基底導(dǎo)熱系數(shù)較高（200W/m·K）但是價(jià)格相對(duì)較貴。Si基GaN器件性能一般但是具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，SiC基GaN器件是目前雷達(dá)和電子戰(zhàn)設(shè)備無可替代的選擇，而現(xiàn)在正在大力研發(fā)的金剛石基底，也被認(rèn)為是未來的發(fā)展方向！

表2：幾種常見的襯底材料性能

硅基氮化嫁：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)。

碳化硅基氮化鎵：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。

金剛石基氮化鎵：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)率最高（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。

同時(shí)，在GaN和襯底之間需要添加緩沖層，這一緩沖層是由于與GaN和襯底的晶格失配所致?緩沖層降低了殘余應(yīng)力，但產(chǎn)生了更高的界面熱阻?因此，散熱問題成為制約GaN基功率器件進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。

目前，能夠緩解器件自熱效應(yīng)的途徑有兩種：被動(dòng)式熱管理技術(shù)和主動(dòng)式熱管理技術(shù)。

被動(dòng)式熱管理技術(shù)主要通過增加器件尺寸、增加風(fēng)冷或水冷裝置、增加器件重量、降低器件功率密度等技術(shù)手段。但對(duì)于器件功率增大化、尺寸小型化、重量輕量化的目標(biāo)來說，難以滿足目前及未來的技術(shù)需求。

主動(dòng)式熱管理技術(shù)是采用高導(dǎo)熱材料替換傳統(tǒng)的低導(dǎo)熱襯底，該方法是一種高效的熱管理技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)散熱襯底與熱源的近結(jié)接觸，提高散熱效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率密度的提高和器件重量和體積的降低，充分發(fā)揮器件潛力。

金剛石作為自然界中熱導(dǎo)率最高的材料，可達(dá)2000W/mK，采用高導(dǎo)熱率的金剛石作為GaN基功率器件的散熱襯底或者熱沉有望改善其“自熱效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)高頻?高功率的應(yīng)用的不二之選。

從2003年開始，F(xiàn)elix Ejeckam等人就開始研究金剛石基GaN器件。由于晶格失配，GaN無法直接在金剛石上高質(zhì)量外延。而半導(dǎo)體的異質(zhì)結(jié)合一直以來是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。

高溫鍵合導(dǎo)致高熱應(yīng)力，器件很容易裂掉，并且GaN金剛石界面導(dǎo)熱很差。從2008年開始，歐盟投入資金推動(dòng)化學(xué)氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長(zhǎng)金剛石。先把Si基GaN器件的Si基底蝕刻掉，在GaN表面生長(zhǎng)一層界面保護(hù)層，種上納米金剛石顆粒，然后直接生長(zhǎng)金剛石，得到的器件大大優(yōu)于Si基GaN器件。緊接著，美國(guó)DARPA、海軍研究辦公室等投入大量資金，聯(lián)合大學(xué)（英國(guó)布里斯托大學(xué)、美國(guó)佐治亞理工、斯坦福等）、半導(dǎo)體公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推動(dòng)金剛石基GaN器件的發(fā)展。鑒于生長(zhǎng)大尺寸金剛石襯底的難度和價(jià)格，目前金剛石基GaN器件的應(yīng)用僅限于國(guó)防和航空航天方向。

隨著金剛石生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)應(yīng)用會(huì)逐漸發(fā)展起來。目前美國(guó)在GaN上直接CVD生長(zhǎng)金剛石的技術(shù)已經(jīng)成熟，數(shù)家初創(chuàng)公司在推動(dòng)相關(guān)技術(shù)在航空航天方向的應(yīng)用，獲得了數(shù)輪融資；另一方面，相關(guān)技術(shù)被賣給了一家韓國(guó)半導(dǎo)體代工廠，生產(chǎn)適用于5G基站的產(chǎn)品。2017年歐盟投入數(shù)千萬美元繼續(xù)推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。日本方面，2017年底，富士通發(fā)布新聞，把SiC基GaN器件常溫鍵合到單晶體金剛石上面，把氣象雷達(dá)探測(cè)距離增大了約1.5倍。2019年底，富士通在GaN器件表面生長(zhǎng)CVD金剛石，通過兩面散熱進(jìn)一步降低器件溫度。同年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）與三菱電機(jī)、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所合作，通過讓高導(dǎo)熱率單晶金剛石直接鍵合形成散熱基板，全球首次開發(fā)出了擁有高輸出功率和高效率的多單元氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN-HEMT）。

圖2：新開發(fā)的GaN-HEMT（上：?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)，下：器件的上表面）（來源：客觀日本）

金剛石基GaN器件的技術(shù)難點(diǎn)在于金剛石和GaN之間的界面熱阻、晶格失配、熱應(yīng)力、CVD生長(zhǎng)的納米晶體金剛石的低導(dǎo)熱。CVD生長(zhǎng)一般在七八百攝氏度，因?yàn)镚aN和金剛石的熱膨脹系數(shù)的差異，當(dāng)器件冷卻到常溫時(shí)，界面處會(huì)有很大的熱應(yīng)力從而使器件破裂。在GaN上面生長(zhǎng)金剛石需要一層保護(hù)層，這層額外的保護(hù)層增加了界面熱阻，大大降低了金剛石的散熱功效。并且，CVD生長(zhǎng)的金剛石在界面附近是納米晶體，導(dǎo)熱系數(shù)非常低，只有幾十W/m·K。CVD生長(zhǎng)幾個(gè)微米厚之后，多晶體金剛石導(dǎo)熱系數(shù)才會(huì)升高到接近體材料，這一層低質(zhì)量的金剛石也會(huì)阻礙GaN器件散熱。

因此，如何將金剛石作為GaN基功率器件的熱沉或襯底，成為目前研究熱點(diǎn)。目前已經(jīng)報(bào)道了多種技術(shù)形式，其中主要有多晶金剛石襯底GaN散熱技術(shù)、單晶金剛石襯底散熱技術(shù)、高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)等。

1、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。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(zhǎng)金剛石技術(shù)。

（1）低溫鍵合技術(shù)

鍵合技術(shù)是半導(dǎo)體行業(yè)制造過程中重要的技術(shù),絕大部分的電子材料?電子器件結(jié)構(gòu)等連接均會(huì)應(yīng)用到鍵合技術(shù)，可分為高溫鍵合及低溫鍵合兩類?

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。

最先開展 GaN/金剛石低溫鍵合方法的是 BAE Systems（英國(guó)航空航天公司），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)載體晶片上，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(jí)粗糙度；隨后在 GaN 和金剛石襯底分別沉積鍵合介質(zhì)（鍵合介質(zhì)可能為 SiN、 BN、 AlN 等），在低于 150 ℃ 的溫度鍵合，最后去除臨時(shí)載體晶片，最終獲得金剛石襯底 GaN HEMT 器件。其團(tuán)隊(duì)早期制備的 1英寸金剛石襯底GaN 結(jié)構(gòu)鍵合的成功率達(dá)到70%，隨后采用該技術(shù)路線將金剛石襯底GaN 晶片推廣到 3~4 英寸。

圖3:金剛石襯底 GaN 的低溫鍵合技術(shù)

(來源：DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.11.013)

國(guó)內(nèi)方面，北京科技大學(xué)幾十年來一直在高導(dǎo)熱金剛石膜制備及加工方面開展基礎(chǔ)研究工作，目前已經(jīng)獲得尺寸大于 4英寸，熱導(dǎo)率大于 1500 W/（m·K）的拋光多晶金剛石膜?；緷M足低溫鍵合對(duì)尺寸、熱導(dǎo)率及表面光潔度及面形度等方面的基本要求。

圖4：4 英寸拋光多晶金剛石膜和 3 英寸金剛石襯底 GaN 晶圓

(來源：北京科技大學(xué)李成明教授團(tuán)隊(duì)工作)

然而，對(duì)于低溫鍵合技術(shù)來說，雖然不存在高溫和氫等離子體環(huán)境、金剛石襯底導(dǎo)熱性能可控的優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)路線的難點(diǎn)在于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！尤其是對(duì)平行度、變形量及表面粗糙度的極高要求：鍵合面粗糙度往往需要小于1nm (RMS)，這對(duì)于其他材料來說可能更容易實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于多晶金剛石膜，獲得小于1nm的粗糙度，難度非常大，主要是由于多晶金剛石膜存在較多的晶界，這些晶界往往成為制約粗糙度降低的主要因素?另外，去除原始襯底后 GaN 外延層表面的高精度加工等。同時(shí)，大尺寸較薄(~100pm)的金剛石變形問題往往非常嚴(yán)重，較大的變形量往往導(dǎo)致鍵合不均勻性和鍵合強(qiáng)度低等不利因素。實(shí)現(xiàn)鍵合層的低熱阻和高質(zhì)量鍵合強(qiáng)度也是實(shí)現(xiàn)器件制備的關(guān)鍵。

(2)基于GaN 外延層背面直接生長(zhǎng)金剛石

另一種制備金剛石襯底GaN器件的方法，與低溫鍵合技術(shù)不同之處是去除襯底及部分GaN緩沖層后在外延層背面首先沉積一層介電層用于保護(hù)GaN外延層后再沉積金剛石襯底（厚度~100 μm）。以美國(guó)的Group 4 Labs（第四實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)）的研究為主。

圖5：金剛石晶圓片上GaN的制作過程

Group 4 Labs在DARPA資助下首先獲得三個(gè)重要結(jié)果：1）GaN可以長(zhǎng)時(shí)間暴露在極端溫度（＞600℃）下，而電學(xué)特性未出現(xiàn)可檢測(cè)的變化；2）GaN薄膜與金剛石之間的熱失配不會(huì)對(duì)器件造成影響；3)金剛石可以沉積在硅基GaN上 。采用該方法成功測(cè)出金剛石襯底GaN HEMT的I-V曲線 。

基于該項(xiàng)目， Group 4 Labs 通過直接生長(zhǎng)技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)了金剛石襯底 GaN 的功率密度是傳統(tǒng) SiC 襯底GaN 器件的 3.87 倍，且工作熱點(diǎn)溫度降低了 40%~50%。Groups 4 Labs 的 D. Francis 和 Tyhach M等采用該技術(shù)首次展示了 4 英寸的 100 μm的金剛石襯底 GaN HEMTs，為目前報(bào)道最大直徑的金剛石襯底 GaN 晶圓。

國(guó)內(nèi)最早研究GaN外延層背面直接生長(zhǎng)技術(shù)的是北京科技大學(xué)，從 GaN 外延層在微波氫等離子環(huán)境中的分解機(jī)制 、過渡層厚度 、兩步法在 GaN 表面沉積金剛石膜等開展一系列系統(tǒng)研究，在 GaN 外延層轉(zhuǎn)移、金剛石襯底 GaN 晶片制備等相關(guān)領(lǐng)域申請(qǐng)了相關(guān)專利 、發(fā)表了一些列成果。

但是，盡管GaN 外延層背面直接生長(zhǎng)金剛石則具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，但涉及到高溫、晶圓應(yīng)力大、界面熱阻高等技術(shù)難點(diǎn)。因此后續(xù)的學(xué)者更多關(guān)注于優(yōu)化 GaN/金剛石的界面熱阻，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。

 2、單晶金剛石襯底外延 GaN 

隨著單晶金剛石制備技術(shù)不斷發(fā)展和完善，單晶金剛石襯底直接外延 GaN 晶片也被用于改善散熱需求。其中具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有瑞士的 EPFL、Element 6 和日本的 NTT 團(tuán)隊(duì)。

雖然目前可以實(shí)現(xiàn)AINGaN/GaNHEMTs的異質(zhì)外延?但是難度很大，由于金剛石屬于立方結(jié)構(gòu)，GaN屬于六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這種晶體結(jié)構(gòu)的差異使單晶金剛石上外延GaN難度極大，另外GaN和金剛石的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異巨大也對(duì)制備帶來巨大困難，此外單晶尺寸的限制和成本的限制都進(jìn)一步影響了其應(yīng)用?

3、高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù) 

德國(guó)的M.Seelman-Eggebert 從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面探討了高熱導(dǎo)率金剛石鈍化層用于GaN-FETs上熱擴(kuò)散。詳細(xì)討論了GaN-FETs工藝條件與低溫沉積金剛石的工藝兼容性，并采用選擇性低溫（沉積溫度400℃）生長(zhǎng)金剛石膜的方法在GaN-FETs的柵極上沉積0.7 μm厚的金剛石膜，對(duì)比沉積金剛石膜前后晶體管的輸出特性和傳輸特性變化不明顯，認(rèn)為這是第一次可以在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體晶體管器件上直接沉積金剛石用于熱擴(kuò)散，但具體的金剛石冷卻效果并未進(jìn)行驗(yàn)證。 

盡管高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)具有巨大潛力，但是在制作HEMTs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(dǎo)率并不高，這些都限制了該技術(shù)的應(yīng)用和推廣?

目前，金剛石基GaN 器件相關(guān)技術(shù)不斷突破，但實(shí)現(xiàn)金剛石襯底與GaN外延層的結(jié)合，無論技術(shù)上或者工藝上都未完全成熟，還存在許多難題亟需解決，距離產(chǎn)業(yè)化尚有距離！

金剛石基GaN HEMT技術(shù)的難點(diǎn)主要在于金剛石與GaN外延層的結(jié)合技術(shù)不夠成熟，還存在圓片尺寸小、缺陷密度大、電學(xué)質(zhì)量差、有效熱阻低以及成本較高等一系列問題，同樣也是未來亟需解決和發(fā)展的關(guān)鍵！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)發(fā)展的重點(diǎn)。

總的來說，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。

基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料&中國(guó)超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)——金剛石論壇將在上海跨國(guó)采購會(huì)展中心拉開帷幕。本屆論壇設(shè)有內(nèi)部研討會(huì)、主題報(bào)告、特色展區(qū)，圍繞半導(dǎo)體相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈展開，從半導(dǎo)體的超精密加工技術(shù)、襯底技術(shù)、高功率器件與碳基散熱解決方案、到半導(dǎo)體電子器件前沿應(yīng)用等展開話題討論，探索金剛石應(yīng)用的無限可能！

參考文獻(xiàn)：