氮化鎵（GaN）基功率器件性能的充分發(fā)揮受到沉積GaN的襯底低熱導率的限制,具有高熱導率的化學氣相沉積（CVD）金剛石,成為GaN功率器件熱擴散襯底材料的優(yōu)良選擇。相關學者在高導熱金剛石與GaN器件結合技術方面開展了多項技術研究,主要包括低溫鍵合技術、GaN外延層背面直接生長金剛石的襯底轉移技術、單晶金剛石外延GaN技術和高導熱金剛石鈍化層散熱技術。對GaN功率器件散熱瓶頸的原因進行了詳細評述,并對上述各項技術的優(yōu)缺點進行了系統(tǒng)分析和評述,揭示了各類散熱技術的熱設計工藝開發(fā)和面臨的技術挑戰(zhàn),并認為低溫鍵合技術具有制備溫度低、金剛石襯底導熱性能可控的優(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合強度對低溫鍵合技術提出挑戰(zhàn)。GaN外延層背面直接生長金剛石則具有良好的界面結合強度,但是涉及到高溫、晶圓應力大、界面熱阻高等技術難點。單晶金剛石外延GaN技術和高導熱金剛石鈍化層散熱技術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,開發(fā)低成本大尺寸金剛石襯底,提高晶圓應力控制技術和界面結合強度,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器件結合技術... 

【文章來源】：表面技術. 2020,49(11)北大核心EICSCD

【文章頁數】：13 頁

【部分圖文】：

金剛石襯底GaN的低溫鍵合技術[34,36-37]

第49卷第11期賈鑫等：金剛石散熱襯底在GaN基功率器件中的應用進展·113·圖1傳統(tǒng)的AlGaN/GaNHEMT的散熱路徑示意圖[10]及器件的平均失效間隔時間與溫度的關系[18]Fig.1SchematicdiagramofAlGaN/GaNHEMTwiththermalpaththroughsubstrate(a)[10],arrheniusplotshowingameantimetofailureplot(b)[18]表1各種襯底材料及GaN的常見性能[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多晶金剛石襯底GaN散熱技術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[30-31]。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基器件技術主要分兩種方式：基于低溫鍵合技術和基于GaN外延層生長金剛石技術。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，降低功率器件結溫；而外延生長技術則是在GaN基底上，通過襯底轉移以及CVD生長方式直接生長出金剛石熱擴散層。兩種方式各有優(yōu)劣，并且均取得了顯著的技術進步。2.1低溫鍵合技術最先開展GaN/金剛石低溫鍵合方法的是BAESystems（英國航空航天公司）[32-35]，其技術路線如圖2a所示，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?

在GaN基功率器件中的應用進展·117·GaN之間的界面熱阻。而JungwanCho[71]采用30nm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29(m2K)/GW。DongLiu[72]采用粒徑為30nm和100nm的納米金剛石粉進行引晶，制備金剛石襯底GaN晶片，認為采用更小粒徑的納米金剛石粉進行引晶，GaN/金剛石界面無微觀缺陷，且結構穩(wěn)定，界面熱阻更均勻。YanZhou等人[73]對比了5nm厚的SiN和AlN薄膜作為介電層對界面熱阻的影響，并采用5nm厚的SiN作為介電層，獲得了已報道最低的界面熱阻~6.5(m2K)/GW（圖5）。Yates[74]分別研究了無介電層、5nm厚的AlN、5nm厚的SiN介電層對界面熱阻和界面結構的影響，認為采用5nm厚的SiN介電層獲得的界面熱阻<10(m2K)/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合力。XinJia[75]采用瞬態(tài)熱反射技術測量采用100nm厚的AlN、SiN作為介電層的界面熱阻，認為介電層表面電荷狀態(tài)對金剛石形核和界面結構產生了較大影響�？傊�，學者認為采用更小粒徑的納米金剛石粉預處理介電層表面、更薄的介電層、增強GaN/金剛石的界面結合強度、降低界面處缺陷，可以使界面熱阻更均勻、更低。圖5金剛石與GaN的透射電鏡界面形貌、金剛石與GaN的界面熱阻、形核層金剛石的有效熱導率[73]Fig.5TransmissionelectronmicroscopymicrographsofcrosssectionsofGaN-on-diamondinterfaces,effectivethermalboundaryresistancebetweendiamondandGaN,andeffectivethermalconductivityofthefirstmicrometerofdiamond[73]北京科技大學作為國內最早開展GaN外延層背面直接生長技術的研究單位，首先研究了GaN外延層在微波氫等離子環(huán)境中的分?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于X射線光電子能譜定量分析金剛石自支撐膜高溫石墨化[J]. 閆雄伯,魏俊俊,陳良賢,劉金龍,李成明.  表面技術. 2019(05)
[2]CVD金剛石自支撐膜的研究進展[J]. 劉金龍,安康,陳良賢,魏俊俊,唐偉忠,呂反修,李成明.  表面技術. 2018(04)
[3]GaN功率器件芯片級熱管理技術研究進展[J]. 郭懷新,孔月嬋,韓平,陳堂勝.  固體電子學研究與進展. 2018(05)
[4]金剛石襯底GaN HEMT研究進展[J]. 陳堂勝,孔月嬋,吳立樞.  固體電子學研究與進展. 2016(05)
[5]甲烷體積分數對納米金剛石薄膜形貌的影響[J]. 熊禮威,彭環(huán)洋,汪建華,崔曉慧,龔國華.  表面技術. 2016(03)
[6]微波等離子體下GaN的分解與納米金剛石膜的沉積[J]. 田寒梅,劉金龍,陳良賢,魏俊俊,黑立富,李成明.  人工晶體學報. 2015(01)
[7]國外軍事和宇航應用寬帶隙半導體技術的發(fā)展[J]. 趙小寧,李秀清.  半導體技術. 2009(07)



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