金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展
发布时间：2021-08-03 06:29
氮化镓（GaN）基功率器件性能的充分发挥受到沉积GaN的衬底低热导率的限制,具有高热导率的化学气相沉积（CVD）金刚石,成为GaN功率器件热扩散衬底材料的优良选择。相关学者在高导热金刚石与GaN器件结合技术方面开展了多项技术研究,主要包括低温键合技术、GaN外延层背面直接生长金刚石的衬底转移技术、单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术。对GaN功率器件散热瓶颈的原因进行了详细评述,并对上述各项技术的优缺点进行了系统分析和评述,揭示了各类散热技术的热设计工艺开发和面临的技术挑战,并认为低温键合技术具有制备温度低、金刚石衬底导热性能可控的优势,但是大尺寸金刚石衬底的高精度加工和较差的界面结合强度对低温键合技术提出挑战。GaN外延层背面直接生长金刚石则具有良好的界面结合强度,但是涉及到高温、晶圆应力大、界面热阻高等技术难点。单晶金刚石外延GaN技术和高导热金刚石钝化层散热技术则分别受到单晶金刚石尺寸小、成本高和工艺不兼容的限制。因此,开发低成本大尺寸金刚石衬底,提高晶圆应力控制技术和界面结合强度,降低界面热阻,提高金刚石衬底GaN器件性能方面,将是未来金刚石与GaN器件结合技术...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
金刚石衬底GaN的低温键合技术[34,36-37]
第49卷第11期贾鑫等：金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展·113·图1传统的AlGaN/GaNHEMT的散热路径示意图[10]及器件的平均失效间隔时间与温度的关系[18]Fig.1SchematicdiagramofAlGaN/GaNHEMTwiththermalpaththroughsubstrate(a)[10],arrheniusplotshowingameantimetofailureplot(b)[18]表1各种衬底材料及GaN的常见性能[24-27]Tab.1PropertiesofvarioussubstratematerialsandGaNlayer[24-27]ParametersAl2O36H-SiCSiDiamondGaNLattice(Mismatch)/%16.13.54111—Cofficientofthermalexpansion/(106K1)7.54.22.6~1.05.59CTE(Mismatch)/%–25235673—Thermalconductivity/(Wm1·K1)2749015020001302多晶金刚石衬底GaN散热技术最早将高热导率金刚石作为GaN功率器件散热衬底的是G.H.Jessen和FelixEjeckam等人[30-31]。其基本理念是使高热导率金刚石足够近的接触器件有源区（产热区域），通过热传导的方式将热量迅速传输出去。目前制备金刚石衬底GaN基器件技术主要分两种方式：基于低温键合技术和基于GaN外延层生长金刚石技术。其中低温键合的基本思路是将GaN外延层从原始的Si衬底上剥离下来，然后在暴露的GaN表面添加中间层，从而与多晶金刚石衬底结合，使GaN基器件的有源区与CVD金刚石衬底接触，降低功率器件结温；而外延生长技术则是在GaN基底上，通过衬底转移以及CVD生长方式直接生长出金刚石热扩散层。两种方式各有优劣，并且均取得了显著的技术进步。2.1低温键合技术最先开展GaN/金刚石低温键合方法的是BAESystems（英国航空航天公司）[32-35]，其技术路线如图2a所示，首先在SiC基GaN外延层制备HEMT器件，然后将GaN基HEMT晶片键合在临时载?
在GaN基功率器件中的应用进展·117·GaN之间的界面热阻。而JungwanCho[71]采用30nm厚的SiN作为介电层，获得了金刚石衬底与GaN之间的界面热阻为29(m2K)/GW。DongLiu[72]采用粒径为30nm和100nm的纳米金刚石粉进行引晶，制备金刚石衬底GaN晶片，认为采用更小粒径的纳米金刚石粉进行引晶，GaN/金刚石界面无微观缺陷，且结构稳定，界面热阻更均匀。YanZhou等人[73]对比了5nm厚的SiN和AlN薄膜作为介电层对界面热阻的影响，并采用5nm厚的SiN作为介电层，获得了已报道最低的界面热阻~6.5(m2K)/GW（图5）。Yates[74]分别研究了无介电层、5nm厚的AlN、5nm厚的SiN介电层对界面热阻和界面结构的影响，认为采用5nm厚的SiN介电层获得的界面热阻<10(m2K)/GW；同时电子能量损失谱显示，在SiN和金刚石界面处形成了Si—C—N层，该层的存在可以提高界面结合力。XinJia[75]采用瞬态热反射技术测量采用100nm厚的AlN、SiN作为介电层的界面热阻，认为介电层表面电荷状态对金刚石形核和界面结构产生了较大影响。总之，学者认为采用更小粒径的纳米金刚石粉预处理介电层表面、更薄的介电层、增强GaN/金刚石的界面结合强度、降低界面处缺陷，可以使界面热阻更均匀、更低。图5金刚石与GaN的透射电镜界面形貌、金刚石与GaN的界面热阻、形核层金刚石的有效热导率[73]Fig.5TransmissionelectronmicroscopymicrographsofcrosssectionsofGaN-on-diamondinterfaces,effectivethermalboundaryresistancebetweendiamondandGaN,andeffectivethermalconductivityofthefirstmicrometerofdiamond[73]北京科技大学作为国内最早开展GaN外延层背面直接生长技术的研究单位，首先研究了GaN外延层在微波氢等离子环境中的分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于X射线光电子能谱定量分析金刚石自支撑膜高温石墨化[J]. 闫雄伯,魏俊俊,陈良贤,刘金龙,李成明. 表面技术. 2019(05)
[2]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[3]GaN功率器件芯片级热管理技术研究进展[J]. 郭怀新,孔月婵,韩平,陈堂胜. 固体电子学研究与进展. 2018(05)
[4]金刚石衬底GaN HEMT研究进展[J]. 陈堂胜,孔月婵,吴立枢. 固体电子学研究与进展. 2016(05)
[5]甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响[J]. 熊礼威,彭环洋,汪建华,崔晓慧,龚国华. 表面技术. 2016(03)
[6]微波等离子体下GaN的分解与纳米金刚石膜的沉积[J]. 田寒梅,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(01)
[7]国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展[J]. 赵小宁,李秀清. 半导体技术. 2009(07)
本文编号：3319128
【文章来源】：表面技术. 2020,49(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
金刚石衬底GaN的低温键合技术[34,36-37]
第49卷第11期贾鑫等：金刚石散热衬底在GaN基功率器件中的应用进展·113·图1传统的AlGaN/GaNHEMT的散热路径示意图[10]及器件的平均失效间隔时间与温度的关系[18]Fig.1SchematicdiagramofAlGaN/GaNHEMTwiththermalpaththroughsubstrate(a)[10],arrheniusplotshowingameantimetofailureplot(b)[18]表1各种衬底材料及GaN的常见性能[24-27]Tab.1PropertiesofvarioussubstratematerialsandGaNlayer[24-27]ParametersAl2O36H-SiCSiDiamondGaNLattice(Mismatch)/%16.13.54111—Cofficientofthermalexpansion/(106K1)7.54.22.6~1.05.59CTE(Mismatch)/%–25235673—Thermalconductivity/(Wm1·K1)2749015020001302多晶金刚石衬底GaN散热技术最早将高热导率金刚石作为GaN功率器件散热衬底的是G.H.Jessen和FelixEjeckam等人[30-31]。其基本理念是使高热导率金刚石足够近的接触器件有源区（产热区域），通过热传导的方式将热量迅速传输出去。目前制备金刚石衬底GaN基器件技术主要分两种方式：基于低温键合技术和基于GaN外延层生长金刚石技术。其中低温键合的基本思路是将GaN外延层从原始的Si衬底上剥离下来，然后在暴露的GaN表面添加中间层，从而与多晶金刚石衬底结合，使GaN基器件的有源区与CVD金刚石衬底接触，降低功率器件结温；而外延生长技术则是在GaN基底上，通过衬底转移以及CVD生长方式直接生长出金刚石热扩散层。两种方式各有优劣，并且均取得了显著的技术进步。2.1低温键合技术最先开展GaN/金刚石低温键合方法的是BAESystems（英国航空航天公司）[32-35]，其技术路线如图2a所示，首先在SiC基GaN外延层制备HEMT器件，然后将GaN基HEMT晶片键合在临时载?
在GaN基功率器件中的应用进展·117·GaN之间的界面热阻。而JungwanCho[71]采用30nm厚的SiN作为介电层，获得了金刚石衬底与GaN之间的界面热阻为29(m2K)/GW。DongLiu[72]采用粒径为30nm和100nm的纳米金刚石粉进行引晶，制备金刚石衬底GaN晶片，认为采用更小粒径的纳米金刚石粉进行引晶，GaN/金刚石界面无微观缺陷，且结构稳定，界面热阻更均匀。YanZhou等人[73]对比了5nm厚的SiN和AlN薄膜作为介电层对界面热阻的影响，并采用5nm厚的SiN作为介电层，获得了已报道最低的界面热阻~6.5(m2K)/GW（图5）。Yates[74]分别研究了无介电层、5nm厚的AlN、5nm厚的SiN介电层对界面热阻和界面结构的影响，认为采用5nm厚的SiN介电层获得的界面热阻<10(m2K)/GW；同时电子能量损失谱显示，在SiN和金刚石界面处形成了Si—C—N层，该层的存在可以提高界面结合力。XinJia[75]采用瞬态热反射技术测量采用100nm厚的AlN、SiN作为介电层的界面热阻，认为介电层表面电荷状态对金刚石形核和界面结构产生了较大影响。总之，学者认为采用更小粒径的纳米金刚石粉预处理介电层表面、更薄的介电层、增强GaN/金刚石的界面结合强度、降低界面处缺陷，可以使界面热阻更均匀、更低。图5金刚石与GaN的透射电镜界面形貌、金刚石与GaN的界面热阻、形核层金刚石的有效热导率[73]Fig.5TransmissionelectronmicroscopymicrographsofcrosssectionsofGaN-on-diamondinterfaces,effectivethermalboundaryresistancebetweendiamondandGaN,andeffectivethermalconductivityofthefirstmicrometerofdiamond[73]北京科技大学作为国内最早开展GaN外延层背面直接生长技术的研究单位，首先研究了GaN外延层在微波氢等离子环境中的分?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于X射线光电子能谱定量分析金刚石自支撑膜高温石墨化[J]. 闫雄伯,魏俊俊,陈良贤,刘金龙,李成明. 表面技术. 2019(05)
[2]CVD金刚石自支撑膜的研究进展[J]. 刘金龙,安康,陈良贤,魏俊俊,唐伟忠,吕反修,李成明. 表面技术. 2018(04)
[3]GaN功率器件芯片级热管理技术研究进展[J]. 郭怀新,孔月婵,韩平,陈堂胜. 固体电子学研究与进展. 2018(05)
[4]金刚石衬底GaN HEMT研究进展[J]. 陈堂胜,孔月婵,吴立枢. 固体电子学研究与进展. 2016(05)
[5]甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响[J]. 熊礼威,彭环洋,汪建华,崔晓慧,龚国华. 表面技术. 2016(03)
[6]微波等离子体下GaN的分解与纳米金刚石膜的沉积[J]. 田寒梅,刘金龙,陈良贤,魏俊俊,黑立富,李成明. 人工晶体学报. 2015(01)
[7]国外军事和宇航应用宽带隙半导体技术的发展[J]. 赵小宁,李秀清. 半导体技术. 2009(07)
本文编号：3319128
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