在半导体技术的前沿领域，金刚石/GaN异质外延技术正受到广泛关注。异质外延技术通常需要在外延表面沉积缓冲层，包括金刚石异质外延GaN技术和GaN底面异质外延金刚石技术。它为解决 GaN功率器件的散热问题提供了新的思路和方法，但同时也面临着一系列技术挑战。下面将为大家详细介绍金刚石异质外延GaN技术的相关研究进展。
金刚石异质外延GaN技术
金刚石衬底散热技术——异质外延技术，因金刚石与GaN的晶体结构不同，存在晶格和热膨胀系数失配难题，关键在于控制应力和保证晶体质量。该技术分为GaN异质外延金刚石技术（去除GaN原衬底及部分缓冲层后，先在GaN背面沉积介电层保护，再沉积金刚石层）和金刚石异质外延GaN技术（在金刚石上用 MBE、MOCVD 等方法沉积GaN层），目前研究较多的是前者。GaN异质外延金刚石技术虽界面结合强度高且成本低，但存在异质外延金刚石形核层质量差、热导率低，以及金刚石生长环境高温、高氢等离子体密度，导致GaN在冷却过程中翘曲、破裂，在氢等离子体环境中被刻蚀、分解等问题，所以需在GaN表面制备保护层缓解热应力并保护 GaN，技术基本流程如图所示。
GaN异质外延金刚石基本流程 图源：论文
1、形核层质量与热导率问题
Malakoutian 等通过快速形核方法，利用保护层电位差实现金刚石颗粒高密度播种，在特定条件下形核和生长，降低了形核层厚度和界面热阻，还使部分保护层转化为热导率更高的 SiC。
Smith 等采用混合金刚石晶粒播种方法，他们使用MOCVD分别制备了Si基GaN和Si基AlN两个样品，在两个样品上使用静电喷雾法分两步播种微米金刚石（2±1μm）和纳米金刚石（3.3±0.6nm），然后使用微波等离子体增强化学气相沉积法生长了厚金刚石层。分两步播种不同尺寸金刚石后生长，大幅减小了金刚石形核层热阻。
2、热应力问题
Jia 等提出的在GaN两侧生长金刚石的结构，首先在GaN上层沉积2μm厚Si层，然后在Si层上低温、高甲烷浓度沉积低质量牺牲层金刚石，GaN下层先去除原衬底、沉积 SiN保护层，再沉积高质量金刚石作为散热层。如下图所示，制备了金刚石-GaN-金刚石结构通过牺牲层金刚石和散热层金刚石共同分担应力，有效缓解了热应力问题，降低了GaN层的应力。
两侧生长金刚石减小应力 图源：论文
GaN 异质外延金刚石技术
1、金刚石钝化层散热技术
技术原理：金刚石钝化散热技术是利用金刚石薄膜替换原有源区的传统钝化层SiNx 的技术，通过用金刚石包覆器件层来提高器件性能。
工艺兼容性：金刚石层生长工艺与GaN器件层工艺存在兼容性问题。例如，金刚石钝化层通常使用异质外延的方法制备，如MPCVD、HFCVD等，这些方法需要高温、富氢等离子体的条件，在此条件下GaN会发生严重的刻蚀、分解。
解决方案：为了解决这个问题，通常在GaN器件层上沉积保护层用于保护GaN，且由于金刚石和GaN之间大的热膨胀失配，需要在低温环境中沉积金刚石钝化层，减小应力。国内南京电子器件研究所Guo等进一步优化工艺，采用栅前金刚石的方法，使用三步金刚石刻蚀技术和20nm SiN保护层，成功在GaN HEMTs器件的顶端制备了500 nm厚的金刚石钝化散热层，其结构示意图如下图所示。经测试，金刚石/GaN HEMTs的热阻比传统SiN/GaN HEMTs低21.4%，截止频率为34.6GHz，比 SiN/GaN HEMTs提高了1.8%，尤其是电流电压(VGS=1V)和小信号增益（10GHz）分别提高了27.9%和36.7%。
具有金刚石钝化层的GaN HEMTs示意图 图源：论文
优势：金刚石层与热源接近，能够显著提高散热效率。
问题：由于金刚石膜沉积温度低，导致其晶体质量不高，无法发挥金刚石导热率高的优势。在实际应用中还需要进一步研究和改进工艺，以提高金刚石膜的晶体质量，更好地发挥其散热优势。
2、金刚石衬底外延技术
技术概述：金刚石衬底外延技术是一种用于改善散热需求的技术，与金刚石衬底异质外延GaN技术类似，存在热膨胀系数失配和晶格失配的问题，需要使用额外的缓冲层缓解失配。
缓冲层研究：Pantle等研究了单晶金刚石取向和缓冲层对GaN质量的影响，在 (111) 单晶金刚石、(001) 单晶金刚石和具有 AlN 缓冲层的 (001) 单晶金刚石上使用 MBE 工艺选择性沉积了GaN纳米线，如下图所示。结果显示在 (111) 金刚石上生长的 GaN 纳米线具有一致的形貌，在 (001) 金刚石上生长的GaN纳米线有多重形核和聚结，而在具有 AlN 缓冲层的 (001) 金刚石上生长的GaN纳米线有最一致的形貌，表面光滑，生长偏转角度小，且缺陷最少。Xu等在多晶金刚石上使用MOCVD工艺生长了GaN薄膜，发现在具有2.5nm h-BN 插入层和1000°C 低温 AlN 层时GaN层晶体质量最好，相比没有h-BN插入层的GaN层，其表面光滑，(002) 摇摆曲线的半峰全宽从 4.67° 降低到 1.98°。
用于在多晶金刚石上生长晶体GaN的工艺步骤 图源：论文
工艺结合研究：Ahmed 等结合了GaN异质外延金刚石技术和金刚石异质外延GaN 技术，在GaN表面使用PECVD沉积一层SiNx保护层，而后使用纳米金刚石颗粒和光刻工艺相结合的方法，经过一系列过程在SiNx保护层上选择性的沉积多晶金刚石层，刻蚀掉未被金刚石覆盖的SiNx保护层部分，暴露出GaN层，之后在暴露的GaN和金刚石上层使用优化的MOCVD工艺横向外延过生长GaN层，再生长GaN层质量比原始 GaN有更好的结晶度和更低的缺陷密度。但由于金刚石与GaN热膨胀系数失配较大，以及多晶金刚石的粗糙表面 (RMS>30nm)，在金刚石与GaN之间出现了孔隙和空洞，进一步降低金刚石表面粗糙度也许可以获得完全结合的界面。
总结与展望
1、GaN异质外延金刚石技术优势在于金刚石与GaN结合强度高，结合均匀性好，但是由于金刚石与GaN之间的热膨胀失配和晶格失配，冷却后金刚石与GaN之间热应力大，可能导致分层或外延层开裂，还存在保护层、金刚石形核层热阻高的问题，可以从金刚石低温沉积以及提高形核层晶粒尺寸、减小形核层厚度入手，同时探索新型保护层材料和保护层制备工艺。
2、金刚石异质外延GaN技术优势在于可以使用大尺寸高导热率金刚石作为散热层衬底，但是也存在热膨胀失配和晶格失配的问题，同时缓冲层热阻高，可以从开发新型缓冲层或多层缓冲层入手，以减小热应力和缓解晶格失配。
以上内容整理自https://link.cnki.net/urlid/50.1083.tg.20240704.1602.004
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