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)?擊穿電場強度高(3.3MV/cm)?飽和電子速度大(2.5×10⁷cm/s)?熱導率高(1.5W·cm^-1·K^-1)、抗輻射能力強以及易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能等特點，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、國防等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價值。

隨著無線通信和雷達等系統(tǒng)的工作頻率向毫米波頻段擴展，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：常見半導體材料性能對比

以SiC、GaN和金剛石為代表的寬禁帶半導體材料脫穎而出，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體材料無法比擬的優(yōu)點。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。金剛石幾乎在各項材料特性指標上都領(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。因此，目前而言，GaN功率器件和射頻器件成為了雷達?電子戰(zhàn)和第五代移動通信(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，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產(chǎn)生局部的數(shù)十納米大小的熱點，局部熱流密度可以達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，這導致其各項性能指標迅速惡化，壽命減少。盡管 GaN 功率器件的理論輸出功率密度可達40 W/mm 以上，但是由于現(xiàn)階段因其自身熱效應(yīng)問題導致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寶石（33 W/m·K）、Si（導熱系數(shù)149 W/m·K），GaN（200W/m·K）發(fā)展到現(xiàn)在市場上的SiC（導熱系數(shù)380 W/m·k）。對比個各種基底材料，我們也可以看到，藍寶石基底導熱系數(shù)太低（33 W/m·K），而GaN基底導熱系數(shù)較高（200W/m·K）但是價格相對較貴。Si基GaN器件性能一般但是具有價格優(yōu)勢，SiC基GaN器件是目前雷達和電子戰(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，它很快就會以價格為競爭優(yōu)勢對抗現(xiàn)有硅和砷化鎵技術(shù)，理所當然會威脅它們根深蒂固的市場。

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熱率優(yōu)勢發(fā)揮出來，可以實現(xiàn)非常接近芯片的有效導熱面。

同時，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：被動式熱管理技術(shù)和主動式熱管理技術(shù)。

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

主動式熱管理技術(shù)是采用高導熱材料替換傳統(tǒng)的低導熱襯底，該方法是一種高效的熱管理技術(shù)，可以實現(xiàn)散熱襯底與熱源的近結(jié)接觸，提高散熱效率，同時實現(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率最高的材料，可達2000W/mK，采用高導熱率的金剛石作為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。而半導體的異質(zhì)結(jié)合一直以來是一個很有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題。

高溫鍵合導致高熱應(yīng)力，器件很容易裂掉，并且GaN金剛石界面導熱很差。從2008年開始，歐盟投入資金推動化學氣相沉積方法（CVD）在GaN器件背面生長金剛石。先把Si基GaN器件的Si基底蝕刻掉，在GaN表面生長一層界面保護層，種上納米金剛石顆粒，然后直接生長金剛石，得到的器件大大優(yōu)于Si基GaN器件。緊接著，美國DARPA、海軍研究辦公室等投入大量資金，聯(lián)合大學（英國布里斯托大學、美國佐治亞理工、斯坦福等）、半導體公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推動金剛石基GaN器件的發(fā)展。鑒于生長大尺寸金剛石襯底的難度和價格，目前金剛石基GaN器件的應(yīng)用僅限于國防和航空航天方向。

隨著金剛石生長技術(shù)的發(fā)展，商業(yè)應(yīng)用會逐漸發(fā)展起來。目前美國在GaN上直接CVD生長金剛石的技術(shù)已經(jīng)成熟，數(shù)家初創(chuàng)公司在推動相關(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)被賣給了一家韓國半導體代工廠，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，把氣象雷達探測距離增大了約1.5倍。2019年底，富士通在GaN器件表面生長CVD金剛石，通過兩面散熱進一步降低器件溫度。同年，日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）與三菱電機、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所合作，通過讓高導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：單元結(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生長的納米晶體金剛石的低導熱。CVD生長一般在七八百攝氏度，因為GaN和金剛石的熱膨脹系數(shù)的差異，當器件冷卻到常溫時，界面處會有很大的熱應(yīng)力從而使器件破裂。在GaN上面生長金剛石需要一層保護層，這層額外的保護層增加了界面熱阻，大大降低了金剛石的散熱功效。并且，CVD生長的金剛石在界面附近是納米晶體，導熱系數(shù)非常低，只有幾十W/m·K。CVD生長幾個微米厚之后，多晶體金剛石導熱系數(shù)才會升高到接近體材料，這一層低質(zhì)量的金剛石也會阻礙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。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)、單晶金剛石襯底散熱技術(shù)、高導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)。

（1）低溫鍵合技術(shù)

鍵合技術(shù)是半導體行業(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。其團隊早期制備的 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)

國內(nèi)方面，北京科技大學幾十年來一直在高導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，熱導率大于 1500 W/（m·K）的拋光多晶金剛石膜?；緷M足低溫鍵合對尺寸、熱導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：北京科技大學李成明教授團隊工作)

然而，對于低溫鍵合技術(shù)來說，雖然不存在高溫和氫等離子體環(huán)境、金剛石襯底導熱性能可控的優(yōu)勢，該技術(shù)路線的難點在于大尺寸金剛石襯底的高精度加工和較差的界面結(jié)合強度！尤其是對平行度、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)，這對于其他材料來說可能更容易實現(xiàn)，而對于多晶金剛石膜，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，大尺寸較薄(~100pm)的金剛石變形問題往往非常嚴重，較大的變形量往往導致鍵合不均勻性和鍵合強度低等不利因素。實現(xiàn)鍵合層的低熱阻和高質(zhì)量鍵合強度也是實現(xiàn)器件制備的關(guān)鍵。

(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（第四實驗室團隊）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重要結(jié)果：1）GaN可以長時間暴露在極端溫度（＞600℃）下，而電學特性未出現(xiàn)可檢測的變化；2）GaN薄膜與金剛石之間的熱失配不會對器件造成影響；3)金剛石可以沉積在硅基GaN上 。采用該方法成功測出金剛石襯底GaN HEMT的I-V曲線 。

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 的功率密度是傳統(tǒng) SiC 襯底GaN 器件的 3.87 倍，且工作熱點溫度降低了 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，為目前報道最大直徑的金剛石襯底 GaN 晶圓。

國內(nèi)最早研究GaN外延層背面直接生長技術(shù)的是北京科技大學，從 GaN 外延層在微波氫等離子環(huán)境中的分解機制 、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金剛石則具有良好的界面結(jié)合強度，但涉及到高溫、晶圓應(yīng)力大、界面熱阻高等技術(shù)難點。因此后續(xù)的學者更多關(guān)注于優(yōu)化 GaN/金剛石的界面熱阻，認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 GaN/金剛石的界面結(jié)合強度、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構(gòu)有瑞士的 EPFL、Element 6 和日本的 NTT 團隊。

雖然目前可以實現(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一步影響了其應(yīng)用?

3、高導熱金剛石鈍化層散熱技術(shù) 

德國的M.Seelman-Eggebert 從理論和實驗兩個方面探討了高熱導率金剛石鈍化層用于GaN-FETs上熱擴散。詳細討論了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，認為這是第一次可以在Ⅲ-Ⅴ族半導體晶體管器件上直接沉積金剛石用于熱擴散，但具體的金剛石冷卻效果并未進行驗證。 

盡管高導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。

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移動通信網(wǎng)絡(luò)和更復雜的雷達系統(tǒng)鋪平道路。

基于此，2021年11月18-20日，由DT新材料&中國超硬材料網(wǎng)聯(lián)合主辦的第六屆國際碳材料大會暨產(chǎn)業(yè)展覽會——金剛石論壇將在上?？鐕少彆怪行睦_帷幕。本屆論壇設(shè)有內(nèi)部研討會、主題報告、特色展區(qū)，圍繞半導體相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈展開，從半導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：