碳基攻克散热？硅基氮化镓异质结材料与多晶金刚石集成生长研究

摘要：在 50.8 mm（2 英寸）硅基氮化镓异质结半导体材料上采用低压等离子体化学气相沉积方法淀积 100 nm厚度的氮化硅材料，然后采用微波等离子体化学气相沉积设备在氮化硅层上方实现多晶金刚石材料的外延生长。采用氮化硅作为过渡层和保护层有效调控了材料应力，保护了氮化镓基材料在多晶外延过程中被氢等离子体刻蚀，使得外延前后氮化物异质结材料特性未发生明显退化。透射电子显微镜测试结果显示，样品具有良好的界面且在金刚石的晶界上存在非金刚石相。本次研究成功实现了氮化镓金刚石的异质集成生长，这对采用金刚石解决氮化镓基 HEMT 器件的散热问题具有重要意义。

关键词：金刚石；氮化镓；异质外延

氮化镓（GaN）基半导体材料具有禁带宽度大、载流子迁移率高等优点，在高频、高温、大功率器件与电路等方面具有广泛应用。近年来，GaN 基异质结材料高电子迁移率晶体管（HEMT）微波功率器件和单片微波集成电路（MMIC）性能和可靠性不断提高，其在武器装备、4G 通信以及新兴的 5G 通信应用中都具有重要的地位。早在 2006 年，美国 Cree公司就实现了 4 GHz 工作频率下输出功率密度达到41.4 W/mm 的GaN 基 HEMT器件。2015 年 ，Tang 等人实现了截止频率和最高振荡频率达 454GHz 和 444 GHz 的 GaN 基 HEMT 器 件。但 是GaN HEMT 器件在大输出功率工作时会产生大量的热，现有器件结构无法有效将热量及时散出，进而会导致器件结温急剧上升。器件结温的升高会导致器件输出功率密度以及效率等性能迅速恶化，这已经成为阻碍 GaN 基微波功率器件发展的瓶颈，导致 GaN 基微波功率器件无法充分发挥其材料性能优势。

传统封装级散热技术虽然在一定程度上能够缓解器件的散热问题，但是 GaN HEMT 结构通常在硅（Si）衬底或者蓝宝石以及碳化硅（SiC）等衬底上异质外延实现，受衬底材料本身热导率低及GaN 成核层缺陷密度大等的限制，封装级的散热技术无法从根本上解决器件的散热问题，因此，需要从 GaN HEMT 内 部 结 构 入 手 来 根 本 上 解 决 GaNHEMT 器件的散热问题。

金刚石属于新一代超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、载流子迁移率高、饱和速度大、硬度大、化学稳定性好等一系列优点，也被业界称为终极半导体材料。单晶及高质量的多晶金刚石热导率可高达 2 000 W/（mK）以上，具有目前所知的天然物质中最高的热导率。金刚石的热导率是铜和银的 4~5 倍，也比碳化硅大 4 倍。因此将金刚石应用于器件及芯片，对解决现有器件及芯片的散热问题具有重大的意义。

目前在金刚石与 GaN HEMT 集成用于解决器件散热的研究中，研究较多的技术是：将制备完成的 GaN HEMT 从原有衬底上剥离下来，转移键合到金刚石衬底上，该技术虽然较为简单成熟，但受限于多晶金刚石加工难度大、粗糙度大的问题，还有直接键合难以实现。目前大多是采用键合层的方法键合，但键合层的热阻也较大。除此之外，直接在 GaN 基半导体上外延多晶金刚石也是解决金刚石与 GaN 基半导体材料散热的方法之一，但金刚石生长需要高温、强等离子体，还存在晶格失配及热失配大等问题，使得金刚石与氮化镓基半导体材料的异质集成外延较难实现。

本文实现了硅基氮化镓异质结材料上高质量多晶金刚石的外延生长，对金刚石外延前后氮化物材料物性变化及金刚石材料质量和氮化物/金刚石界面进行了研究，为金刚石在氮化物微波功率器件中的散热应用提供一定的研究基础。

本研究采用的50.8 mm（2 英 寸）Si 基 GaN HEMT 结构的材料来自于苏州纳维科技有限公司。将硅基氮化物材料清洗干净后，采用低压等离子体化学气相沉积（LPCVD）在 AlGaN 层上方外延生长100 nm 厚度的氮化硅（SiN_x）层，在 SiN_x层上方采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）设备生长多晶金刚石，所采用的 MPCVD 设备为法国 Plassys 公司的 SSDR150 型微波等离子体化学气相沉积设备。生长过程中采用的微波功率、压强、温度分别为 3.8kW、15×10³ Pa、800℃。生长过程中的氢气流量为380 ml/min，甲 烷 流 量 为 20 ml/min，氮 气 流 量 为0.04 ml/min。生长时间为 6 h。金刚石层外延之前GaN 异质结材料的方块电阻为 276 □/Ω，二维电子气（2DEG）迁 移 率 为 1 553 cm²/（V·s），浓 度 为1.63×10¹³cm^-2；金刚石层外延之后 GaN 异质结材料 的 方 块 电 阻 为 277 □/Ω、2DEG 迁 移 率 为 1 441cm²/（V·s），浓度为 1.56×10¹³ cm^-1。可见材料外延前后，GaN 异质结材料的电学特性退化很小。本文对 生 长 前 后 的 样 品 采 用 高 分 辨 率 X 射 线 衍 射 仪（HRXRD）、原子力显微镜（AFM）进行测试，对生长后的金刚石进行了拉曼光谱测试，采用透射电子显微镜（TEM）对样品界面及晶体质量进行了表征。生长后样品的结构如图 1 所示，所有的测试都在室温条件下进行。

为了表征 Si基 GaN 异质结材料的特性，及为了与生长金刚石之后的材料质量作对比，首先采用原子 力 显 微 镜 及 高 分 辨 率 X 射 线 衍 射 谱 仪 对 Si 基GaN 异质结材料进行测试。

AFM 的测试结果如图 2 所示，可以清晰观察到材料表面的原子台阶流，并且材料表面坑状缺陷很少，表面均方根粗糙度为 0.387 nm。

图 3 为硅基氮化物异质结材料的 HRXRD 测试结果，图 3（a）为硅基氮化物异质结材料（004）面的 ω⁃2θ 扫描曲线，可以看到 AlGaN 势垒层与 GaN 层的两个衍射峰。图 3（b）为（002）面摇摆曲线扫面结果，可以看到 GaN 材料（002）面摇摆曲线半高宽为579 arcsec。Si 基 GaN 异质结材料生长金刚石之前的 晶 片 弯 曲 度（BOW）、翘 曲 度（WARP）分 别 为7.305 μm 和 17.278 μm。

接下来，在测试之后的硅基氮化物异质结材料表 面 ，采 用 LPCVD 设 备 生 长 100 nm 厚 度 的 SiNx层，随后在 SiNx层上面生长多晶金刚石。由于本研究采用 MPCVD 生长多晶金刚石，在生长过程中高能量的氢等离子体具有很强的刻蚀作用。因此，本文采用 SiNx层作为过渡层，一方面可以保护样品表面；另一方面，由于金刚石与 AlGaN/GaN 晶格常数及热膨胀系数差异较大，直接在 AlGaN/GaN 上方生长金刚石容易由于晶格失配及热失配大而导致样品碎裂，因此 SiNx层也起到了调控应力的作用。

多晶金刚石生长完成之后的样品照片如图 4 所示。多晶生长厚度为 18 μm，生长速率 3 μm/h。由于生长过程中样品中心到边缘存在一定温度及等离子体基团浓度差，所以中心到边缘处存在一定的厚度差。在将来的研究中需要进一步优化等离子体的分布及增加样品旋转等方式来解决。生长金刚石之 后 样 品 的 BOW、WARP 分 别 为 8.776 μm 和20.299 μm，生长后材料的翘曲有所增加，这也说明材料内部应力有所变化，这将在一定程度上影响材料的电学特性。对外延的多晶金刚石层进行了拉曼测试，测试结果如图 5 所示，可以观察到位于 1332 cm^-1附近的金刚石峰。除此之外，在 1 500~1 700 cm^-1还能观察到石墨相相关的峰的存在。在生长过程中，为了提高生长速率及成核的均匀性，在反应气体中引入了氮气 ，这导致金刚石生长过程中石墨相的存在。

为了对比金刚石外延前后样品质量的变化，进一步测试了生长金刚石之后样品的 HRXRD 结果，如图 6 所示。样品 HRXRD 的（004）面 ω⁃2θ 扫面曲线依然能够清晰观察到 AlGaN 势垒层与 GaN 层的衍射峰。GaN 材料（002）面摇摆曲线半高宽为 678 arcsec，与金刚石生长之前有了少量退化，这是由于在金刚石生长过程中材料长时间处在高温条件下，并且由于外延金刚石以后应力的存在，导致样品质量在一定程度上发生了退化。后续本文需要进一步研究优化氮化硅层的厚度，降低金刚石生长温度，以实现金刚石外延前后 GaN 材料质量不发生退化。

最 后 ，为了研究材料的晶体质量以及界面特性，对材料进行了 TEM 表征，测试结果如图 7 所示。图 7（a）中可以清晰看到 GaN/SiNx/金刚石层，SiNx层厚度为 100 nm，这说明在金刚石生长前期，氢等离子体对氮化硅刻蚀作用较小。在采用 MPCVD外延多晶金刚石，当氢等离子体起辉时，向氢气中加入微量的甲烷，这有效减弱了氢等离子体的刻蚀作用。此外，还可以看到，多晶金刚石生长初期在氮化硅表面形成纳米晶的成核层，随后随着金刚石的生长，纳米晶逐渐合并变大，最终形成大小达到数微米的金刚石晶粒。根据 Martin Kuball 等人的研究结果，100 nm SiNx材料引入的界面热阻大约在 40~50 m²K/GW，金刚石热导率测试显示为约 1500 W/mK。虽 然 SiNx 层 会 引 入 热 阻 ，但 是 对 于GaN 基 HEMT 器件，很多情况下本身就需要上百纳米厚度以上的 SiNx 层作为钝化层，本研究中的SiNx层也可作为器件钝化层使用，在其上外延金刚石层，对进一步增强器件散热能够起到积极的作用。多晶钝化层对器件特性的影响，后续也会进行深入的研究。

图 7（b）为多晶金刚石与 SiN 的晶体界面，从图中可以观察到，SiNx为无定型形态，金刚石晶粒之间也存在无定型碳，这与拉曼测试结果中存在非金刚石的石墨相相关的峰相一致。金刚石与 SiNx结合良好，无过渡层存在。图 7（c）给出了 GaN/SiNx界面的 TEM 测试结果，可以看到在多晶金刚石生长完成之后，GaN 材料质量仍然较好，由于 SiNx的保护作用 ，使 得 氮 化物材料质量退化小 。在 GaN/SiN_x界面处可观察到 1 nm 左右的界面层，这应该是界面长时间处于高温下发生了互反应引起的。SiNx的厚度会显著影响材料的界面热阻，为了有效降低材料界面热阻，氮化硅的厚度优化也是将来研究工作的重点。

利用微波等离子体化学气相沉积设备在 Si 基GaN 异质结材料上异质外延多晶金刚石，采用 100nm 厚度的 SiNx层作为过渡和保护层，成功实现了多晶金刚石材料的生长，多晶金刚石生长速率为 3μm/h，生长厚度达 18 μm。多晶金刚石生长前后氮化物异质结材料特性未发生明显退化。对金刚石和 GaN 材料集成生长的研究，为 GaN 基 HEMT 器件散热问题的解决提供了一定的指导作用。