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金刚石热管理技术提高了氮化镓晶体管的功率
2019-05-22

  据《今日半导体》2019年5月2日报道,美国海军研究实验室(NRL)的一组研究人员声称,记录了氮化铝镓(AlGaN)势垒高电子迁移率晶体管(HEMT)的直流功率密度。研究人员用金刚石替换外延生长III族氮化物器件层的硅衬底,来实现晶体管的高功率,增强热管理能力。

  该团队的目标是实现商用和军用电子产品所需的高频率性能和高功率密度。由于金刚石优异的导热特性,先前已用来传导高频和高功率应用中产生的高温。采用的热传导技术其一是晶圆键合方式,而另一种更有吸引力的方式是直接在器件层的背面生长金刚石。

  在先前工作的基础上,NRL领导的团队倒转了GaN / Si基片并去除了硅衬底。蚀刻掉暴露的N极III-N成核层,留下约700nm厚度的GaN缓冲层。元素六公司(Element Six Technologies)在厚多晶金刚石层的化学气相沉积(CVD)之前施加了30nm的氮化硅(SiN)势垒层。

  NRL的 HEMT结构采用20nm Al0.2Ga0.8N势垒层,台面等离子体蚀刻,钛/铝/镍/金欧姆源极 - 漏极接触沉积和退火,镍/金肖特基栅极沉积,钛/金接触垫料覆盖和等离子体增强化学气相沉积(PECVD)氮化硅钝化工艺。该HEMT的制作步骤分为在用金刚石替换硅衬底之前和之后两个阶段,并优化了氮化硅钝化性能以避免在脉冲操作下发生电流崩塌。

  研究人员报告说:“室温霍尔测量和直流电流-电压特性表明,衬底侧工艺不会显著影响HEMT的迁移率和载流子面密度,从而影响其导通电阻。此外,仅观察到对阈值电压和跨导的微小影响。”

  热反射成像(TRI)显示,在功率密度为15W / mm直流操作下,硅衬底HEMT的漏源交界处温度升高,超过了150°C(图1)。相比之下,金刚石衬底HEMT在功率密度为24.2W / mm时,漏源交界处的温度没有明显升高。功率密度高于24.2W / mm时,金刚石衬底HEMT的漏源交界处温度确实会升高,主要是由于栅极漏电流所致。即便如此,在功率密度为56W / mm条件下,在漏源交界处的温度也没有高于176℃。最高温度产生于漏极边缘的栅极区域,为205℃。

  以金刚石为衬底的GaN HEMT(GaNDi-2)的热阻值低至2.95°C-mm / W。之前的金刚石替代工艺下制造出的GaN HEMT(GanDi-1)的热阻值更高,为3.91°C-mm / W。较高的热阻值归因于金刚石衬底的交界面处的缺陷。透射电子显微镜(TEM)显示了GaNDi-1样品的30nm氮化硅层和GaN界面处的纳米尺寸空隙(图2)。相比之下,GaNDi-2样品实现了“锋利的GaN-金刚石界面和更低的热阻”。原硅衬底(GaNSi-1和2)上的GaN HEMT的热阻则更高。

  研究人员建议,减薄或消除氮化硅势垒层可以将热阻降低,最多可达48%。然而,此过程还需要消除界面中的空隙。

   (中国电科13所  赵元英)

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