金刚石GaN异质外延及热管理

1.金刚石相关介绍

金刚石是立方晶体结构，不同于GaN的纤锌矿晶体结构，GaN和金刚石之间存在很大的晶格失配和热膨胀系数失配，如表1所示，给异质外延技术带来了许多难题，如何有效控制应力以及晶体质量都是关键核心问题。

表1 各种衬底材料及 GaN 的常见性能

金刚石是以上热导率最高的材料，单晶金刚石在室温下的导热系数高达2400 W/mK， 多晶金刚石热导率也达到了2000 W/mK，远高于其他常用GaN衬底材料的热导率，是理想的散热材料。

将高热导率的金刚石与GaN功率器件集成，因金刚石的超高热导率，热源产生的热量会迅速地横向扩散在基板内，提升了热源与外界的有效换热面积，从而可以极大地提升系统的换热能力，大幅度提高GaN功率器件的散热效果，降低器件沟道温度，提高GaN功率器件的工作功率密度。

2.技术路线

目前主要有3种技术路线，GaN底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延GaN和键合技术。对应热管理技术主要为GaN顶部器件散热技术—金刚石钝化散热技术，金刚石钝化散热是直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；其次是 GaN 底部金刚石衬底散热技术，具体如图1。

图 1 无金刚石(a)、单层金刚石(b)、双层金刚石(c)散热结构对比

3.GaN 上异质外延金刚石

金刚石在GaN上异质外延的过程中，通常是在700~1000℃的高温环境中，由于金刚石与GaN材料之间存在大的热膨胀系数失配，在金刚石生长完成冷却下来后，在金刚石与GaN之间会存在1 GPa 左右的应力。

Jia等针对热应力的问题，提出了一种GaN 两侧生长金刚石的方法，首先在GaN上层沉积2 μm厚Si 层，然后在Si层上低温、高甲烷浓度沉积低质量牺牲层金刚石，GaN下层先去除原衬底、沉积 SiN 保护层，再沉积高质量金刚石作为散热层。制备了金刚石-GaN-金刚石结构，牺牲层金刚石和散热层金刚石共同分担了GaN收缩带来的应力，在经过退火、去除Si层和牺牲层金刚石后，GaN/金刚石结构的GaN层有0.5 GPa的张应力，GaN转移过程产生的应力得到有效缓解。

图2 两侧生长金刚石减小应力

4.金刚石衬底异质外延 GaN

金刚石衬底异质外延GaN技术也被用于改善散热需求，和金刚石衬底异质外延GaN技术一样，也存在热膨胀系数失配和晶格失配的问题，会使GaN外延层发生剥离或破裂，需要使用额外的缓冲层缓解失配。

同时金刚石衬底质量对GaN外延层质量也有很大影响，现在常用(111)单晶金刚石作为衬底，但是成本昂贵。Xu等人在多晶金刚石上使用MOCVD工艺生长了GaN薄膜，发现在具有2.5nm h-BN插入层和1000℃低温AlN层时GaN层晶体质量最好，相比没有h-BN插入层的GaN层，其表面光滑，(002)摇摆曲线的半峰全宽从4.67°降低到1.98°。

图3 有h-BN插入层的金刚石GaN异质外延结构示意图

当然，也可以讲以上2种异质外延路线结合起来，如将金刚石异质外延GaN和GaN上异质外延金刚石，会大幅度降低器件温度，并在未来完全发挥 GaN 的高功率密度高频率优势。

5.产业化发展趋势

实现有效的散热以减弱自热效应的影响，是高功率密度 GaN 功率器件高可靠性和长寿命面临的挑战，GaN功率器件因其具有高转换效率、低导通损耗、高工作频 率、大带宽以及高功率密度，广泛应用于通信、雷达、卫星、电力电子等领域。

研究发现 GaN基HEMT器件在200℃存储300小时后，其饱和电流降9.05%，最大跨导降低 5.3%，GaN功率器件在工作时，导电沟道处产生大量热量使得器件结温有明显升高，晶格振动散射大大加强使得漂移区内的电子迁移率降低，器件导通电阻出现明显上升，因此热管理问题变得十分重要，特别对于器件的可靠性。

近年来，针对功率器件的热管理问题，提出了诸如石墨烯、金刚石散热材料应用，以及材料生长中缺陷的控制、空位的影响等，从不同角度提出了热管理的解决方案，其最终目的都在于更有效地解决器件的可靠性问题。

来源：未来芯研究

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。