由佐治亞理工學院機械工程學院領導的一個團隊實施了一系列基于室溫表面活化鍵合（SAB）的結果，以鍵合具有不同夾層厚度的 GaN 和單晶金剛石。新開發的技術最大限度地提高了氮化鎵性能，以實現更高功率的操作。

將 GaN 與其他材料集成在技術上具有挑戰性。很難將金剛石和GaN與導熱界面和界面處的低應力結合。該建模使GaN器件能夠充分利用單晶金剛石的高導熱性，從而為大功率解決方案實現出色的冷卻效果。由于其他標準過程中的熱膨脹系數不同，環境溫度過程不會引起物理應力問題。

介紹

電力電子行業已經看到硅 MOSFET 達到的理論極限，現在需要轉向新元件。氮化鎵（或 GaN）是一種寬帶隙、高電子遷移率半導體，已被證明是滿足新應用的真正附加值。基于 GaN 的高電子遷移率晶體管 (HEMT) 器件具有卓越的電氣特性，是高壓和高開關頻率電機控制應用中 MOSFET 和 IGBT 的有效替代品。

GaN 是一種寬帶隙 (WBG) 材料。因此，它的禁帶（對應于電子從價帶傳遞到導帶所需的能量）比硅中的禁帶寬得多：實際上，它約為 3.4 電子伏特，而 1.12硅的 eV。由于所需的能量如此之高，GaN 需要比硅更薄 10 倍的材料來阻擋特定電壓，從而使器件尺寸更加緊湊。GaN HEMT 更高的電子遷移率導致更快的開關速度，因為通常在接頭中積累的電荷可以更快地分散。上升時間越快，漏源導通電阻 (RDS(on)) 值越低，GaN 可實現的柵極和輸出電容降低，所有這些都有助于其低開關損耗和在比硅高 10 倍的開關頻率下工作的能力。減少功率損耗會帶來額外的好處，例如更高效的配電、更少的熱量產生和更簡單的冷卻系統。

GaN 的性能和可靠性與通道上的溫度和焦耳熱效應有關。集成到 GaN 中的 SiC 和金剛石等基板可以改善熱管理。這使得降低設備的工作溫度成為可能。對于 GaN-on-SiC 器件，溝道溫度降低 25 度將導致器件壽命增加約 10 倍。GaN 器件已廣泛應用于光電子、射頻和汽車領域。

金剛石的熱導率是硅的 14 倍，電場電阻是其 30 倍。高導熱性允許熱量傳播。金剛石的帶隙為 5.47 eV，擊穿場為 10 MV/cm，電子遷移率為 2200 cm 2 Ns，熱導率約為 21 W/cmK。

佐治亞理工學院、明成大學和早稻田大學的團隊開發的新技術允許將高導熱材料放置在更靠近氮化鎵有源器件區域的位置，從而最大限度地提高氮化鎵的性能，以實現更高的功率操作。金剛石基氮化鎵市場主要用于國防雷達和衛星通信，目前5G基站的量產也在進行中。

圖 1：GaN-On-Diamond 應用概述 [Source Yole Développement (Yole)]

“GaN-on-Diamond 在設備和系統級別提供了高導熱性、高電阻率和小尺寸的關鍵參數。Yole Développement 的技術和市場分析師 Ezgi Dogmus 解釋說，這些優勢使金剛石基 GaN 功率放大器器件對高功率射頻應用非常有吸引力，例如商業基站、軍用雷達應用以及衛星通信和氣象雷達。他補充說：“這種創新的設備技術已經開發了十多年，預計未來幾年將由 RFHIC、Akash Systems 和三菱電機等領先的工業參與者進行商業推廣。”

GaN 和金剛石特性

GaN 基 HEMT 的最大輸出功率受到溝道襯底高溫的限制，這會降低系統性能和可靠性。金剛石是目前導熱系數最高的材料，通過與氮化鎵的集成，有助于消散通道附近產生的熱量。

“在 HEMT 器件工作期間，柵極附近的大電壓降會引起局部焦耳熱。加熱區域位于幾十納米范圍內，從而產生超高的局部熱通量。GaN基HEMT的局部熱通量值可以達到太陽表面的10倍以上。適當的散熱技術，例如將金剛石盡可能靠近熱點，可以有效降低通道溫度，促進器件穩定性和壽命，”最近獲得佐治亞理工學院博士學位的鄭哲說。畢業論文第一作者，現為UIUC博士后。

目前使用的技術包括通過化學氣相 (CVD) 在 GaN 上直接生長金剛石，并使用介電層作為保護層，因為金剛石生長過程中的等離子體會損壞 GaN。材料的熱阻與界面的結合被證明在熱流管理中起著關鍵作用，特別是對于開關電源的高頻應用。CVD金剛石的生長溫度在700℃以上。當器件冷卻到室溫時，界面處的應力會使晶片破裂。此外，粘附層增加了 GaN-金剛石界面的熱阻，這抵消了金剛石基板高導熱性的好處。

佐治亞理工學院、明成大學和早稻田大學的團隊提出的研究使用兩種改進的 SAB 技術在室溫下將 GaN 與具有不同中間層的金剛石襯底結合。兩個待鍵合表面通過 Ar 離子束清潔和活化，在表面產生懸空鍵。然后在室溫下將兩個表面壓在一起。懸空鍵將在界面處形成共價鍵。在他們的工作中，在界面處添加了一些硅原子以增強界面鍵合。“結合是在明成大學和早稻田大學（Fengwen Mu 和 Tadatomo Suga）完成的。然后在喬治亞理工學院（Zhe Cheng、Luke Yates 和 Samuel Graham）通過時域熱反射 (TDTR) 測量粘合界面。

TDTR 用于測量熱性能。材料表征可以通過高分辨率掃描電子顯微鏡 (HR-STEM) 和電子能量損失光譜 (EELS) 進行。

時域熱反射 (TDTR)

時域熱反射 (TDTR) 是一種采用超快飛秒激光器的泵浦探測技術，可測量 GaN-金剛石界面的熱邊界電導。該技術使用在 1 到 12 MHz 之間調制的超快激光來控制熱穿透深度。與泵浦脈沖相比，探針脈沖延遲 0.1 到 7 ns，以允許在這段時間內測量相對表面溫度的衰減。鎖定放大器允許提取由光電探測器拾取的讀取信號。溫度變化是通過薄金屬換能器 (50-100 nm) 的反射率變化來測量的。該系統能夠測量 0.1 到 1000 W/mK 之間的熱導率和 2 到 500 m2-K/G 之間的熱邊界電阻。使用鈦藍寶石飛秒激光器。

制造和測試

在佐治亞理工學院和明成大學提出的這項研究中，通過在界面處添加一些硅原子來幫助 GaN 與金剛石結合，以幫助界面的化學粘附并降低熱接觸傳導。熱邊界傳導（或 TBC）描述了固體-固體界面之間的熱傳導。相關系數是指示跨界面傳導熱量的能力的屬性。

該團隊使用了兩個樣本。第一個樣品由結合在商業單晶金剛石襯底（通過 CVD 生長）上的薄層 GaN（~700 nm）組成，Si 夾層厚度約為 10 nm。另一個樣品在通過高壓高溫法 (HPHT) 生長的商用單晶金剛石襯底上結合了約 1.88 微米厚的 GaN。GaN 的厚度被拋光到足夠薄以進行 TDTR 測量（圖 2-4）。

使用以下樣品結構，測量了無 GaN 區域上的單個結晶金剛石襯底的熱導率。然后對具有 GaN 層的區域進行 TDTR 測量，以測量 GaN-金剛石結構的 TBC。

“測得的金剛石基板的熱導率被用作調整 TDTR 數據的已知參數，以在 GaN 層上方測量時提取 TBC。總體而言，存在三個未知參數：Al-GaN TBC、GaN 熱導率和 GaN-金剛石 TBC。TDTR 是一種測量納米結構材料和塊狀材料的熱性能的技術。一束調制激光束加熱樣品表面，而另一束延遲光束通過熱反射檢測表面溫度的變化，并由光電探測器捕獲”，鄭哲說。

圖 2：(a) 金剛石和結合的 GaN-金剛石樣品的 TDTR 測量值。(b) 三個未知參數的 TDTR 靈敏度。(c) 室溫下調制頻率為 2.2 MHz 的 Samp2 TDTR 數據擬合
[來源：科學文章]

圖 3：（ab）樣品 1 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。（cd）樣品 2 的 GaN-金剛石界面的橫截面圖像。[來源：科學文章]

圖 4：測試測量期間團隊的一部分，Zhe Cheng 和 Sam Graham

審核編輯 黃昊宇