研究\\\\金刚石和GaN-on-SiC之间的低边界热阻，可实现射频器件冷却

DT半导体材料 2021-12-20 18:00

详解状态监控系统的数据采集技术 开放·连接 2025玄铁RISC-V生态大会

ACS Appl. Mater. Interfaces| 来源

5G及未来网络的实施需要速度更快、性能和能效更高的半导体器件，这只有使用能够支持更高频率的材料才能实现。可以提供高频和高功率的氮化镓 (GaN) 功率放大器对于 5G 及未来的技术至关重要，这些应用的高功率输出会带来严峻的散热挑战。由于器件自热限制了 GaN 的性能，因此使用金刚石作为GaN 器件冷却的散热器已经获得了显着青睐。然而，在 GaN 器件上集成多晶金刚石的重大挑战之一是既保持器件本身性能，同时又实现低金刚石/GaN 通道边界热阻。

斯坦福大学电气工程系Srabanti Chowdhury研究组以“Record-Low Thermal Boundary Resistance between Diamond and GaN-on-SiC for Enabling Radiofrequency Device Cooling”为题在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表研究成果，在这项研究中，研究人员在金刚石/Si3N4/GaN 界面处创纪录的实现了迄今为止最接近理论预测的约 3.1±0.7 m²K/GW 的低边界热阻。金刚石集成在 GaN 沟道层约 1nm 内，且不会降低沟道的电性能。此外，成功地实现了金刚石层中的残余应力最小化，这使多晶金刚石可以在厚度 >2μm 和横向晶粒尺寸~1.9μm 的 GaN上生长更加各向同性，更多的各向同性晶粒可以有效地在垂直和横向两个方向传播热量；使用瞬态热反射法，测得晶粒的热导率为 638±48 W/mK。

N-极性 GaN HEMT 结构的横截面示意图，显示了金刚石集成所涉及的多层结构及其界面热阻

基于瞬态热反射拟合的热特性

不同比例的成核层厚度和Si3N4 层剩余厚度STEM图

样品STEM和EDS分析图，成核层为30 nm，且Si3N4<1nm（成核参数：微波功率600W、压力20Torr、CH4 5% 和10min成核时间）。

暴露在(a)高密度和(b)低密度等离子体下的两个不同厚度Si3N4样品的EELS和STEM分析

多晶金刚石在GaN HEMTs上生长的SEM图。(a) GaN HEMT/sapphire 生长后残余应力过大导致金刚石分层。(b)由于GaN HEMT/SiC的应力补偿，金刚石没有分层。(c) 1100W、30Torr和~ 700℃下的低密度等离子体生长，表明嵌入截面图中晶粒相对较小，呈柱状结构。(d−f)在1800W, 70Torr，~ 700℃条件下高密度等离子体生长，结果显示2μm金刚石具有更多的各向同性晶粒。

基于 (a) sapphire和 (b) SiC 衬底，在N-极性 GaN/AlGaN HEMT上CVD法生长金刚石的拉曼光谱。

具有两种不同的 Si3N4 厚度的金刚石/Si3N4/GaN TBR，可作为使用 TTR 方法测量的金刚石层厚度的函数。金刚石和 GaN 之间具有 <1nm 的Si3N4 样品测得的 TBR 接近文献中计算的上限

金刚石（散热器）和 GaN（半导体通道）两种宽带隙材料的集成，当彼此靠近放置时，可以释放 GaN 在高功率密度下提供高频的巨大潜力。然而，这两种材料的集成涉及严酷的 H2-等离子体生长环境，会分解 GaN 沟道并降低器件性能。研究者们提供了一种将金刚石集成到 GaN HEMT 结构的~1nm范围内、且不会降低器件性能的方法，对H2-等离子体环境下Si3N4 蚀刻以及碳扩散到 Si3N4 层中实现了出色的控制。等离子体密度以及生长表面温度决定了碳扩散到 Si3N4 中的深度。即使在沟道附近放置相对较厚的金刚石，也能够保证包括通道迁移率和片状载流子浓度等器件性能参数。集成在GaN通道顶部的 2μm 厚金刚石显示出~650 W/mK 热导率和非常低的~3.1m²K/GW 的边界热阻。这项研究证明了，通过提供极低的通道热阻来散热到外部散热器，是一种缓解GaN功率放大器热管理挑战的有效方法。