大尺寸金刚石多晶膜在未来碳基氮化镓功率半导体的应用

随着碳基半导体的技术开发深入发展，大尺寸金刚石膜越来越成为阻碍碳基半导体技术的重要因素，国内国外相继生长出了大尺寸的的金刚石多晶膜，铂世光公司在这方面取得长足的进展，应用自己多年积累的技术，不断突破，取得了4英寸的多晶膜片，均匀性10%，已经在多领域开展合作。GaN作为未来碳基半导体主要应用材料，和金刚石基片结合，成为最新热门的技术领域，引领了新一代半导体的技术前沿。

图1 4寸多晶金刚石片（毛坯料）以及沉积设备

目前为止，GaN在碳化硅基材上的应用，已经成功开发出多种高功率芯片，并且应用于很多领域，氮化镓电力电子器件具有更高的工作电压、更高的开关频率、更低的导通电阻等优势，并可与成本极低、技术成熟度极高的硅基半导体集成电路工艺相兼容，在新一代高效率、小尺寸的电力，转换与管理系统、电动机车、工业电机等领域具有巨大的发展潜力。GaN材料的本真特性，比如半导体在高功率电子器件领域的主流产品包括功率MOSFET、功率HEMT、功率IC等。这些产品广泛应用于电力转换器、电动汽车、太阳能逆变器等领域，具有高效率、高可靠性和高性价比等优点。另外还有光电器件：GaN半导体在光电器件领域的主流产品包括蓝光LED、激光器、光电探测器等。这些产品广泛应用于照明、显示、通信等领域，具有高亮度、高效率和长寿命等优点。射频器件：GaN半导体在射频器件领域的主流产品包括功率放大器、开关、滤波器等。这些产品广泛应用于5G通信、雷达、卫星通信等领域，具有高频率、高功率和高线性度等优点。

但是，GaN优良的性能，特别是在高功率领域的应用，仍然需要一个更加优秀的基片作为载片，发挥他的无限潜能，金刚石有着很高的热导率的物理性能，金刚石热导率为2000W/m·K, 是金属铝205 W/m·K的10倍，银429 W/m·K的接近5倍，禁带宽度是5.45eV,而现在最热门的半导体材料Ge、Si、GaAs、GaN的禁带宽度在室温下分别为0.66eV、1.12 eV、1.42 eV、3.44 eV。所以无论是作为载体基片，还是半导体隔离电极，都具有相当优秀性能。但是金刚石的沉积速度比较低，膜流动性比较差，作为功率器件的隔离材料比较困难，未来需要进一步的开发，但是作为基材导热已经有了不断的尝试。

在高功率器件领域，氮化镓芯片最理想的衬底是碳基材料，也就是（CVD）金刚石材料，其它材料的基底，比如碳化硅基底和硅基底，因为散热性能的缺陷（图3），无法发挥充分发挥氮化镓（ GaN）功率的最大潜能。

图2 GaN HEMT在金刚石和SiC衬底上的温升对比

GaN 与金刚石存在较大晶格失配和热失配等问题， 如何将金刚石作为 GaN基功率器件的热沉或衬底，目前已经报道了多种技术形式，其中主要有多晶金刚石衬底GaN散热技术、单晶金刚石衬底散热技术、高导热金刚石钝化层散热技术等。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。

图3 GaN/金刚石低温键合方法

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），首先在 SiC 基 GaN 外延层制备HEMT器件，然后将 GaN 基 HEMT 晶片键合在临时载体晶片（ Temp Carrier）上，去除 SiC 衬底和部分 GaN 的形核层和过渡层，并将其表面和金刚石衬底加工到纳米级粗糙度；随后在 GaN 和金刚石衬底分别沉积键合介质（键合介质可能为 SiN、 BN、 AlN 等），在低于 150 ℃ 的温度键合，最后去除临时载体晶片，最终获得金刚石衬底 GaN HEMT 器件。其团队早期制备的 1 英寸金刚石衬底 GaN 结构键合的成功率达到70%，随后采用该技术路线将金刚石衬底 GaN晶片推广到 3~4 英寸。

国内方面，北京科技大学几十年来一直在高导热金刚石膜制备及加工方面开展基础研究工作，目前已经获得尺寸大于 4 英寸、热导率大于 1500 W/(m·K)的抛光多晶金刚石膜，基本满足低温键合对尺寸、热导率、表面光洁度及面形度等方面的基本要求。基于此，南京电子器件研究所（ NEDI）与北京科技大学合作，成功将 3 英寸的 GaNHEMTs外延层转移到多晶金刚石衬底上。模拟结果表明，外延层的厚度和界面热阻对结温的大小有很大影响，认为界面热阻每增加 10 (m2·K)/GW，结点温度增加 10 K。电学性能测试结果显示，衬底转移前后的残余应变未影响二维电子气密度和电学特性；最大电流密度从 968 mA/mm 增加到 1005 mA/mm时， PAE 从 50.9%降低到50.5%；相对于传统的 SiC衬底 GaN 器件，功耗为 10 W/mm 时， 1.25 mm 厚的GaN HEMTs 峰值结温从 241 ℃（SiC 衬底）下降到191 ℃；但是金刚石与 GaN 的界面热阻相对较大，达到 51 (m2·K)/GW， 并认为需要在提高金刚石衬底和键合层的热导率、减少键合层厚度及优化键合工艺等方面进一步优化，进而提升热扩散效果。此外，西安交通大学等人采用 Mo/Au（ 5 nm/11 nm）作为键合层，在室温下初步将GaN 和多晶金刚石进行键合。

GaN基功率器件的高频高功率性能优势由于有源区结热问题而未能充分发挥， 传统衬底及封装散热技术难以解决目前的热瓶颈难题。因此，具有高热导率的金刚石衬底能够满足 GaN 基功率器件的散热需求。研究表明，与传统的 SiC 衬底 GaN 基功率器件相比，金刚石衬底 GaN 器件具有更高的散热能力，并且有望实现 GaN 基功率器件的小型化和大功率化，从而促进在射频功率器件和微波功率器件相关领域的广泛应用。然而金刚石衬底与 GaN 外延层的结合技术并未成熟，还存在许多难题亟需解决，距离产业化尚有距离。笔者认为金刚石衬底与 GaN 外延层结合技术的研究将趋于以下几个方面：

1）针对低温键合技术主要以降低金刚石加工成本，实现键合层的低热阻和高质量键合强度为目标；

2）针对 GaN 外延层背面沉积技术，以实现 GaN 外延层的高效率转移，提高金刚石形核层热导率，提高 GaN 外延层转移后电学特性，实现 GaN 外延层沉积金刚石衬底的大面积为研究方向；

3）其他技术手段主要存在单晶金刚石衬底尺寸小、纳米金刚石钝化层沉积工艺与器件加工的兼容性等问题，这都将极大限制这些技术手段的发展和应用。因此，解决上述问题，将为 GaN 功率器件实现高频、高功率应用，提供广阔前景，并带来更大效益。

来源：DT半导体

*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。