摘要：氮化鎵（GaN）基功率器件性能的充分發(fā)揮受到沉積GaN的襯底低熱導(dǎo)率的限制，具有高熱導(dǎo)率的化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石成為GaN功率器件熱擴(kuò)散襯底材料的優(yōu)良選擇。相關(guān)學(xué)者在高導(dǎo)熱金剛石與GaN器件結(jié)合技術(shù)方面開展了多項技術(shù)研究，主要包括低溫鍵合技術(shù)與GaN外延層背面直接生長金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)。本文對GaN功率器件散熱瓶頸的原因進(jìn)行詳細(xì)評述，并對上述各項技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析和評述，揭示了各類散熱技術(shù)的熱設(shè)計工藝開發(fā)和面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)；并認(rèn)為低溫鍵合技術(shù)具有制備溫度低，金剛石襯底導(dǎo)熱性能可控的優(yōu)勢，但是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)度對低溫鍵合技術(shù)提出挑戰(zhàn)；GaN外延層背面直接生長金剛石則具有良好的界面結(jié)合強(qiáng)度，但是涉及到高溫，晶圓應(yīng)力大，界面熱阻高等技術(shù)難點(diǎn)；單晶金剛石外延GaN技術(shù)和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)則分別受到單晶金剛石尺寸小、成本高和工藝不兼容的限制。因此筆者認(rèn)為開發(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)。

關(guān)鍵詞：金剛石；氮化鎵；電子器件；轉(zhuǎn)移技術(shù)；高熱導(dǎo)率；界面熱阻

GaN作為第三代半導(dǎo)體材料，具有寬禁帶（室溫下3.39 eV）、高電子飽和速率（2.5×10 7 cm/s）、高擊穿場強(qiáng)（3.3 MV/cm）等優(yōu)異性能。非常適用于研制高頻、大功率微波毫米波器件及電路，在5G通訊、航天、國防等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值，在國際上引起了廣泛關(guān)注 [1-4] 。

近年來，基于GaN微波功率器件的設(shè)計和工藝不斷提高和改進(jìn)，其理論輸出功率越來越高（4 GHz，~40 W/mm），頻率越來越大，體積越來越小 [5-8] 。然而，尺寸小型化和功率增大化條件下，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)，其中最主要原因是GaN基功率器件隨著功率密度增加，芯片有源區(qū)的熱積累效應(yīng)迅速增加，導(dǎo)致其各項性能指標(biāo)迅速惡化，使其大功率優(yōu)勢未能充分發(fā)揮。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。受傳統(tǒng)封裝散熱技術(shù)的限制無法解決這一難題，必須從GaN器件近端結(jié)熱區(qū)著手提升其熱傳輸能力，因此探討GaN基器件的高效散熱課題成為其進(jìn)一步推進(jìn)GaN器件發(fā)展的重要方向。金剛石因具有超高熱導(dǎo)率逐漸成為GaN器件熱沉材料的首選，近年來金剛石作為GaN熱沉或者襯底技術(shù)方面和熱管理技術(shù)領(lǐng)域均取得較大進(jìn)展。

本文針對GaN功率器件散熱問題進(jìn)行簡要分析，介紹近年來國內(nèi)外正在開展的高熱導(dǎo)率金剛石膜提高GaN功率器件散熱技術(shù)，并闡述和概括各項技術(shù)路線的技術(shù)問題和發(fā)展方向。

1 GaN 基HEMT （高電子遷移率晶體管） 散熱瓶頸

盡管GaN功率器件的理論輸出功率可達(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和MMIC器件功率密度僅為3~5 W/mm [9] ，由此可見其自身優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)未發(fā)揮。主要原因是在高偏置電壓工作狀態(tài)下，過大的功率耗散導(dǎo)致器件升溫，而傳統(tǒng)的低熱導(dǎo)率襯底和散熱途徑的散熱能力有限，阻礙熱量向周圍環(huán)境擴(kuò)散（見圖1(a)） [10] ，進(jìn)而加強(qiáng)聲子散射，引起勢阱中載流子遷移率下降，使器件的靜態(tài)I-V特性衰減，這種現(xiàn)象被稱為“自熱效應(yīng)” [11-16] 。Kuzmik等人報道GaN HEMTs器件功率密度密度達(dá)到6 W/mm時，溝道溫度可超過200℃，且隨著耗散功率的增加而升高 [17] 。尤其是當(dāng)器件小型化，電流密度日益增大，器件的自熱效應(yīng)愈明顯，導(dǎo)致器件的峰值溫度迅速增加，可靠性呈指數(shù)下降 [1,11,12,18-23] （圖1(b)）。

此外，GaN功率器件常用襯底材料（藍(lán)寶石、硅、碳化硅）熱導(dǎo)率較低，極大限制了器件散熱和大功率性能需求。如表1常用襯底材料和GaN常見性能對比，僅依靠傳統(tǒng)的襯底材料（硅、碳化硅），通過被動冷卻技術(shù)，難以滿足高功率條件下的散熱需求，嚴(yán)重限制GaN基功率器件潛力釋放 [24-27] 。因此提高器件可靠性，必須要解決其有源區(qū)的熱累積問題，提升內(nèi)部熱傳遞能力，尤其是有源區(qū)附近的傳熱能力成為提升器件功率密度實現(xiàn)大功率特性的關(guān)鍵途徑。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)”，實現(xiàn)高頻、高功率的應(yīng)用。然而GaN與金剛石存在較大晶格失配和熱失配等問題，如何將金剛石作為GaN基功率器件的熱沉或襯底的問題目前已經(jīng)報道了多種技術(shù)形式，其中主要有多晶金剛石襯底GaN散熱技術(shù)及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。

2 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Felix Ejeckam等人 [28,29] 。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外延層生長金剛石技術(shù)。其中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；而外延生長技術(shù)則是在GaN基底上通過襯底轉(zhuǎn)移以及CVD生長方式直接生長出金剛石熱擴(kuò)散層。兩種方式各有優(yōu)劣，并且均取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步。

2.1 低溫鍵合技術(shù)

最先開展GaN/金剛石低溫鍵合方法的是BAE Systems(英國航空航天公司) [30-33] ，其技術(shù)路線（圖2(a)）首先在SiC基GaN外延層制備HEMT器件，然后將GaN基HEMT晶片鍵合在臨時載體晶片（Temp Carrier）上，去除SiC襯底和部分GaN形核層和過渡層，并將其表面和金剛石襯底加工到納米級粗糙度；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，最后去除臨時載體晶片最終獲得金剛石襯底GaN HEMT器件。其團(tuán)隊早期制備的1英寸金剛石襯底GaN結(jié)構(gòu)鍵合成功率達(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 [32,34] 。

早期器件解決了空氣橋結(jié)構(gòu)缺失大幅提升了金剛石襯底 GaN HEMT 的 RF 增益和 PAE（增益功率效率）。經(jīng)過改進(jìn)工藝實現(xiàn)10 GHz、40 V 的漏極偏壓下 11 W/mm 的 RF 輸出功率密度，且 PAE 為 51%，輸出功率密度高于 SiC 襯底 GaN HEMTs 的 3 倍，結(jié)溫更低 [35] （圖 2(b)）。BAE Systems 采用熱導(dǎo)率更高的金剛石襯底(2160 W/m·K) [32] ，鍵合介質(zhì)為 35 nm 的硅，GaN/金剛石室溫下界面熱阻（TBR）為 34（±15%）m 2 K/GW，獲得輸出功率密度是 SiC 襯底 GaN 器件的 3.6 倍。除 BAE Systems 外，東京大學(xué)的 Fengwen Mu [36,37] 采用表面活化鍵合法在室溫下采用 27nm 厚 Si 鍵合層制備出金剛石襯底 GaN 晶片，實現(xiàn)了界面層的無縫界面，但是作者未對該結(jié)構(gòu)的器件性能進(jìn)行檢測。

國內(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 [27,38-41] ，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（圖 3（a））。基本滿足低溫鍵合對尺寸、熱導(dǎo)率及表面光潔度及面形度等方面的基本要求。基于此，南京電子器件研究所（NEDI）與北京科技大學(xué)合作，成功將 3 英寸的 GaN HEMTs 外延層轉(zhuǎn)移到多晶金剛石襯底上（圖 3（b））[42,43] 。模擬結(jié)果表明外延層的厚度和界面熱阻對結(jié)溫的大小有很大影響，認(rèn)為界面熱阻每增加 10 m 2 K/GW結(jié)點(diǎn)溫度增加 10 K [44] 。電學(xué)性能測試結(jié)果顯示，襯底轉(zhuǎn)移前后的殘余應(yīng)變未影響二維電子氣密度和電學(xué)特性；最大電流密度從 968mA/mm 增加到 1005 mA/mm 時，PAE 從 50.9%降低到 50.5%；相對于傳統(tǒng)的 SiC 襯底 GaN 器件，功耗為 10 W/mm 時 1.25 mm 的GaN HEMTs 峰值結(jié)溫從 241℃（SiC 襯底）下降到 191℃；但是金剛石與 GaN 的界面熱阻相對較大達(dá)到 51 m 2 K/GW，并認(rèn)為需要在包括提高金剛石襯底和鍵合層熱導(dǎo)率、減少鍵合層厚度及優(yōu)化鍵合工藝方面進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而提升熱擴(kuò)散效果。此外，西安交通大學(xué)等人 [45,46] 采用 Mo/Au（5 nm/11 nm）作為鍵合層在室溫下初步將 GaN 和多晶金剛石鍵合。

總體來說，低溫鍵合技術(shù)制備金剛石襯底 GaN 主要研究團(tuán)隊集中在 BAE Systems 和 NEDI 研究團(tuán)隊，其主要研究成果對比見表 2。盡管低溫鍵合技術(shù)具有使用高質(zhì)量高導(dǎo)熱率的金剛石襯底和鍵合過程不存在高溫和氫等離子體環(huán)境的優(yōu)勢；也獲得了良好的電學(xué)特性和散熱效果。然而該技術(shù)路線的難點(diǎn)在于大尺寸金剛石襯底的高精度加工，尤其是對平行度、變形量及表面粗糙度的極高要求；去除原始襯底后 GaN 外延層表面的高精度加工等，實現(xiàn)鍵合層的低熱阻和高質(zhì)量鍵合強(qiáng)度也是實現(xiàn)器件制備的關(guān)鍵。

2.2 基于GaN 外延層背面直接生長金剛石

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）。以美國的Group 4 Labs（第四實驗室團(tuán)隊） [16,47-53] 的研究為主，其工藝流程如圖4(a) 所示。Group 4 Labs在DARPA資助下首先獲得三個重要結(jié)果：1）GaN可以長時間暴露在極端溫度（＞600℃）下，而電學(xué)特性未出現(xiàn)可檢測的變化 [51] ；2）GaN薄膜與金剛石之間的熱失配不會對器件造成影響 [47] ；3)金剛石可以沉積在硅基GaN上 [12] 。采用該方法成功測出金剛石襯底GaN HEMT的I-V曲線 [52] 。

同樣的，DARPA 提出從晶體管有源區(qū)的產(chǎn)熱 1 μm 范圍內(nèi)進(jìn)行熱傳輸?shù)慕Y(jié)熱傳輸（NJTT）項目。基于該項目，Group 4 Labs通過直接生長技術(shù)率先實現(xiàn)了金剛石襯底GaN功率密度優(yōu)于傳統(tǒng)SiC襯底GaN器件3.87倍，且工作熱點(diǎn)溫度降低了40%~50% [11,52] 。但是在初期該技術(shù)還存在以下方面需要進(jìn)一步提升：1）金剛石熱導(dǎo)率＞1500+W/mK；2）晶圓直徑為 100 mm 厚度偏差（TTV）<10μm；3）線性厚度偏差（直徑 100 mm 晶圓線性厚度偏差（LTV）<10 μm；4）直徑 100 mm 晶圓變形量<20 μm。Element 6 公司的相關(guān)技術(shù)人員加入該研究團(tuán)隊，從而幫助 Group 4 Lab 順利解決上述問題，但并未詳細(xì)報道解決方案。基于上述結(jié)構(gòu)，G. H. Jessen 等人 [28,29]和 Felbinger [54,55] 測量了金剛石襯底 GaN HEMTs 器件的直流特性和小信號特性，獲得最大電流密度 1072 mA/mm（VGs=1 V），最大輸出功率密度為 2.79 W/mm，功率增益效率 47%（10 GHz，Vds=25 V）。Kelson D. Chabak [56] 和 D. I. Babi? [57] 利用該技術(shù)將 130 μm厚的 CVD 金剛石襯底與 GaN 外延層結(jié)合，并對 GaN 芯片完成封裝，功率密度達(dá)到 4 W/mm。Groups 4 Labs 的 D. Francis 和 TyhachM [11,50,58-61] 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（圖 4（b）），為目前報道最大直徑的金剛石襯底GaN 晶圓。

在成功制備出金剛石襯底 GaNHEMTs 基礎(chǔ)上，主要研究方向瞄向器件的穩(wěn)定性和散熱能力方向，其中 D.C. Dumka [16] 和 Felix Ejeckam [62] 報道了金剛石襯底 GaN HEMTs 器件在 IDS 和 IGS 飽和電流條件下，通道溫度為 290℃和 350℃連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 9000 h 和3000 h連續(xù)運(yùn)行，實現(xiàn)了40 V偏置電壓下最大電流密度超過1 A/mm，通道溫度相對SiC襯底GaN HEMTs降低25%。D.C.Dumka [64,65]報道金剛石襯底 GaN HEMTs 在 10GHz 條件下，射頻功率密度高達(dá) 7.9 W/mm，PAE 超過 46%。美國空軍研究實驗室（AFRL）[16,48,63]針對該團(tuán)隊制備的金剛石襯底 GaN 與硅襯底 GaN 的各項電學(xué)性能對比（表 3），認(rèn)為金剛石襯底 GaN 相較于傳統(tǒng)襯底 GaN 的 HEMT器件穩(wěn)定性和可靠性更高。而 Marko J. Tadjer [53] 采用穩(wěn)態(tài)熱反射成像法對比硅襯底與金剛石襯底的 GaN HEMTs 的結(jié)溫，結(jié)果顯示在更高功率密度條件下，金剛石襯底 GaN HEMTs 可以得到更低的結(jié)溫和平均溫度（圖 4(c)）。

盡管 GaN 表面生長金剛石的穩(wěn)定性和散熱能力等問題已經(jīng)得到初步解決，但金剛石與 GaN 之間的界面熱阻如果不能得到有效降低，則金剛石襯底 GaN 器件的散熱性能將不能夠得到有效發(fā)揮，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（TBR）（表 4）。首先 James W.pomeroy [16,66,67] 首先采用 Raman 熱成像技術(shù)和時域熱反射技術(shù)（TDTR）測量了金剛石與 GaN 之間的界面熱阻。并認(rèn)為介電層厚度從 90 nm 減薄到 50 nm 后，界面熱阻從 41 m 2 K/GW 降低到 17 m 2 K/GW，與傳統(tǒng)的 SiC 基 GaN 相比，金剛石襯底 GaN HEMTs 功耗提升 25%，溝道峰值溫度降低 40%。Huarui Sun 等人 [68] 則認(rèn)為界面熱阻取決于形核層質(zhì)量、介電層厚度等，并認(rèn)為更薄的介電層和最優(yōu)的生長和成核技術(shù)將會繼續(xù)降低金剛石襯底與 GaN 之間的界面熱阻。而 Jungwan Cho [69] 采用 30 nm 厚的SiN 作為介電層，獲得了金剛石襯底與 GaN 之間的界面熱阻為 29m 2 K/GW；Dong Liu [70] 采用 30 nm 和 100 nm 的納米金剛石粉進(jìn)行引晶制備金剛石襯底 GaN 晶片，認(rèn)為采用更小粒徑的納米金剛石粉引晶，GaN/金剛石界面會呈現(xiàn)無微觀缺陷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、界面熱阻更為均勻。Yan Zhou 等人 [71] 對比 5 nm 的 SiN 和 AlN 薄膜作為介電層對界面熱阻的影響，并采用 5nmSiN 作為介電層獲得了已知報道最低的界面熱阻~6.5m 2 K/GW（圖 5）。Yates [72] 分別研究了無介電層、5 nm 的 AlN、5 nm 的 SiN 介電層對界面熱阻和界面結(jié)構(gòu)的而影響，認(rèn)為采用 5nm 的 SiN 介電層獲得界面熱阻<10m 2 K/GW；同時電子能量損失譜顯示在 SiN 和金剛石界面處形成了 Si-C-N層，該層的存在可以提高界面結(jié)合力（圖 12）。Xin Jia [73] 采用瞬態(tài)熱反射技術(shù)測量采用 100nm 的 AlN、SiN 作為介電層的界面熱阻，認(rèn)為由于介電層表面電荷狀態(tài)對金剛石形核和界面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。總之，學(xué)者認(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/金剛石界面結(jié)合強(qiáng)度、降低界面處缺陷可以使界面熱阻更為均勻及更低。

北京科技大學(xué)作為國內(nèi)最早開展 GaN 外延層背面直接生長技術(shù)的研究單位，首先研究了 GaN 外延層在微波氫等離子環(huán)境中的分解機(jī)制 [74] ，認(rèn)為在 GaN 外延層表面添加過渡層及等離子體氣氛中添加氮?dú)饪梢砸种?GaN 外延層的分解；同時研究了過渡層厚度對 GaN 上沉積金剛石膜結(jié)合力的影響 [74,75] ；采用兩步法成功在 GaN 表面沉積金剛石膜。隨后在 GaN 外延層轉(zhuǎn)移、金剛石襯底 GaN晶片制備相關(guān)領(lǐng)域申請了相關(guān)專利 [76]-[79] ；在此之后，研究了 SiN、AlN 作為介電層對制備金剛石襯底 GaN 晶片界面熱阻和金剛石形核密度的影響，通過對介電層選取及預(yù)處理可以有效提高金剛石的形核密度和良好的界面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)一步降低金剛石與 GaN之間的界面熱阻，進(jìn)而提升其熱擴(kuò)散潛力（圖 6），且初步獲得界面熱阻為~38m 2 K/GW [73],[80] 。但是，在制備金剛石襯底 GaN 結(jié)構(gòu)過程中仍然存在 GaN 外延層轉(zhuǎn)移困難，高溫沉積過程中熱失配過大導(dǎo)致的晶圓變形大、界面熱阻大等問題。

需要注意的是，雖然直接沉積法在散熱能力方面體現(xiàn)出極為突出的優(yōu)勢，但是研究結(jié)果表明該技術(shù)由于涉及到高溫沉積，對熱失配控制是重大挑戰(zhàn)；GaN 外延層臨時轉(zhuǎn)移后沉積金剛石膜過程中也存在損傷風(fēng)險；金剛石形核層較低的熱導(dǎo)率不利于其熱傳輸?shù)葐栴}。然而相較于鍵合技術(shù)獲得的金剛石基 GaN 的最低 TBR（35m 2 K/GW），該技術(shù)可以使界面熱阻降到更低（~6.5m 2 K/GW），這也說明該技術(shù)在制備金剛石基 GaN 方面也具有極大潛力。

3 其它散熱技術(shù)途徑

除主流的低溫鍵合技術(shù)和 GaN 外延層背面直接沉積金剛石制備金剛石襯底 GaN 晶片外，另有單晶金剛石襯底外延沉積 GaN 和高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)用于解決 GaN 基功率器件的散熱需求。

3.1 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 [81] 、Element 6 和日本的 NTT 團(tuán)隊 [82-84] 。瑞士 EPFL 的 Dussaigne [81] 在（111）單晶金剛石襯底上采用 MBE 技術(shù)外延沉積得到了粗糙度為 1.3 nm（2 μm×2 μm）的 GaN 外延層。隨后在此基礎(chǔ)上又沉積出粗糙度為 0.6 nm 的 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料，二維電子氣遷移率達(dá)到 750 cm 2 /Vs，面密度為 1.4×10 13 cm -2 。同年，德國 ULM 大學(xué)的 Alomari 等人采用 MBE 技術(shù) [82] ，在 3 mm×3mm 的單晶金剛石（111）襯底上外延得到 AlNGaN/GaN HEMTs，異質(zhì)結(jié)二維電子氣遷移率為 731 cm 2 /Vs，面密度為 1.3×10 13 cm -2 ，基于此材料制備的柵長為 0.2 μm 的 HEMTs，電流密度為 0.73 A/mm，跨導(dǎo)為 137.5 mS/mm，電流增益頻率為 21 GHz，最高振蕩頻率為 42 GHz。

2011 年日本 NTT 公司的 Hirama 等人 [83] 同樣在單晶金剛石襯底上研制出 GaN 基 HEMTs，其結(jié)構(gòu)如圖 7(a)所示，他們采用金屬有機(jī)物氣相外延（MOCVD）技術(shù)制備 AlNGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)材料，異質(zhì)結(jié)二維電子氣遷移率為 730 cm 2 /Vs，面密度為 1.3×10 13 cm -2 ，該結(jié)構(gòu)的最大輸出電流密度 220 mA/mm，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為 3GHz 和 7GHz；對比傳統(tǒng)的 SiC 襯底，增加同樣梯度的功率密度，金剛石襯底的 HEMTs 溫度增加幅度更小。2012 年又獲得了具有功率輸出的 GaN 基 HEMTs [84] ，1 GHz 時的輸出功率密度為 2.13W/mm，增益為 28 dB，功率附加效率為 46%，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為 5 GHz 和 18 GHz，其頻率和功率特性曲線如圖 7(b)所示。R F Webster 等人 [85] 在多晶金剛石襯底表面成功沉積位錯密度~7×10 9 cm -2 的單晶 GaN 外延層，但薄膜破損嚴(yán)重，遠(yuǎn)未能達(dá)到器件級別。顯然單晶金剛石襯底外延 GaN 實現(xiàn)了 AlNGaN/GaN HEMTs 的異質(zhì)外延和器件制備，但是難度依然極大，GaN 和金剛石的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異巨大也對制備帶來巨大困難，此外單晶尺寸和成本進(jìn)一步限制其應(yīng)用。

3.2 高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)

德國的M.Seelman-Eggebert [86] 從理論和實驗兩個方面探討了高熱導(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)行驗證。

Alomari [87] 等人在InAlN/GaN HEMTs上直接生長納米金剛石薄膜，結(jié)果表明InAlN/GaN HEMTs與納米金剛石薄膜具有良好的相容性，并且獲得器件的電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為4.2 GHz和5 GHz。Meyer [88] 研究了納米金剛石帽層技術(shù)對GaNHEMTs性能的影響，并且首次獲得了大信號功率特性。在4GHz時輸出功率密度為5.8 W/mm，增益10.1 dB，功率附加效率為32.6%。Tadjer等人 [89,90] 研究了納米金剛石帽層對GaN HEMTs的影響，發(fā)現(xiàn)納米金剛石對器件的鈍化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的氮化硅鈍化層，器件工

作溫度相對降低了20%。除實驗嘗試外，另有Wang等人 [91] 采用有限元模型對納米金剛石膜包覆GaN外延層與傳統(tǒng)的GaN HEMTs結(jié)構(gòu)熱擴(kuò)散性能對比（如圖8），并認(rèn)為納米金剛石包覆可以顯著提高器件的性能，其橫向熱導(dǎo)率與初始幾微米厚密切相關(guān)，最重要的是金剛石層與熱源的接近，使得這種方法比其他的熱控方法更有利，特別是脈沖器件。盡管采用該技術(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。

4 結(jié)論

GaN基功率器件在高頻高功率性能優(yōu)勢由于有源區(qū)結(jié)熱問題未能充分發(fā)揮，傳統(tǒng)襯底及封裝散熱技術(shù)難以解決目前熱瓶頸難題。因此，具有高熱導(dǎo)率的金剛石襯底能夠滿足GaN基功率器件的散熱需求。研究表明，與傳統(tǒng)的SiC襯底GaN基功率器件相比，無論是金剛石襯底GaN器件還是高導(dǎo)熱金剛石鈍化層散熱技術(shù)都具有更高的散熱能力，并且有望實現(xiàn)GaN基功率器件的小型化和大功率化，從而促進(jìn)在射頻功率器件和微波功率器件相關(guān)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

然而金剛石襯底與GaN外延層的結(jié)合技術(shù)并未成熟，還存在許多難題亟需解決，距離產(chǎn)業(yè)化尚有距離，因此筆者認(rèn)為金剛石襯底與GaN外延層結(jié)合技術(shù)的研究將趨于以下幾個方面：1）針對低溫鍵合技術(shù)主要以降低金剛石加工成本，實現(xiàn)鍵合層的低熱阻和高質(zhì)量鍵合強(qiáng)度為目標(biāo)；2）針對GaN外延層背面沉積技術(shù)以實現(xiàn)GaN外延層的高效率轉(zhuǎn)移，提高金剛石形核層熱導(dǎo)率，提高GaN外延層轉(zhuǎn)移后電學(xué)特性，實現(xiàn)GaN外延層沉積金剛石襯底的大面積為研究方向；3）其它技術(shù)手段主要存在單晶金剛石襯底尺寸小，納米金剛石鈍化層沉積工藝與器件加工的兼容性等問題，這都將極大限制這些技術(shù)手段的發(fā)展和應(yīng)用。因此，解決上述問題將為GaN功率器件實現(xiàn)高頻、高功率應(yīng)用提供廣闊前景和帶來更大效益。

參考文獻(xiàn)可參閱

https://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1083.TG.20200617.1639.056.html

本文來源：知網(wǎng)

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