較高復(fù)雜性和功率密度更大的現(xiàn)代微型電子設(shè)備日益受到熱管理技術(shù)的瓶頸制約。例如氮化鎵（GaN）可以顯著提高射頻（RF）晶體管的整體性能，使其上升到一個全新的技術(shù)基準(zhǔn)；但在臨近最大輸出功率處，RF晶片工作運(yùn)行時的信道加熱卻大大縮短了設(shè)備壽命。因此，氮化鎵設(shè)備的潛能有待于進(jìn)一步挖掘提高。

       為解決上述問題，元素六公司研發(fā)了導(dǎo)熱性更高的襯底以幫助晶體管設(shè)備散熱：化學(xué)氣相沉積（CVD）金剛石。

       金剛石是迄今為止世界上導(dǎo)熱性能最好的物質(zhì)材料，室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2000Wm-1K-1，是碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)的四到五倍。作為襯底材料，金剛石可以以數(shù)百納米的尺寸沉積在GaN信道內(nèi)，使晶體管設(shè)備在工作時能夠有效散熱。

       隨著金剛石技術(shù)的成熟發(fā)展，金剛石襯底GaN可以替代常用的行波管和SiC襯底GaN設(shè)備，用于軍事雷達(dá)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、蜂巢式基地臺、氣象衛(wèi)星和通信衛(wèi)星等領(lǐng)域。美國國防高級研究計劃局(DARPA)研究發(fā)現(xiàn)金剛石襯底GaN可以以更低的信道溫度傳輸功率密度，是SiC襯底GaN射頻放大器效率的三倍。

金剛石襯底GaN晶片

       金剛石襯底GaN晶片是由1.2µm厚的專屬過渡層、800nm厚的未鍍附GaN中間層、17nm厚的Al0.26Ga0.74N肖脫基勢壘和2nm厚的GaN保護(hù)層在硅表面外延堆疊而成。首先將AlGaN/GaN襯底下面的硅襯底和過渡層抽取并添加上一對附加層，然后在裸露的AlGaN/GaN上沉積出35nm厚的專屬電介質(zhì)，最后在薄膜上沉積出100μm厚的CVD金剛石襯底。如圖一所示：

圖一：將GaN和臨時載體結(jié)合，蝕刻掉襯底和過渡層并沉積出35nm厚的電介質(zhì)；在GaN背面沉積出100μm厚的金剛石層，最后將臨時載體抽取掉，制備出金剛石襯底的GaN。
       通過對比金剛石襯底GaN和硅襯底GaN高電子遷移率場效晶體管（HEMTs），以及金剛石襯底GaN和碳化硅襯底GaN的HEMTs來測試金剛石襯底GaN對于晶體管性能的改善。

       美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）對于元素六公司的GaN和金剛石沉積進(jìn)行測試試驗(yàn)以驗(yàn)證其是否有損GaN的外延生長，是否會引起設(shè)備性能的退化。實(shí)驗(yàn)對上千個金剛石襯底GaN和硅襯底GaN的HEMTs進(jìn)行了測試；對晶片的表面電阻率、載流子遷移率、載流子密度、接觸電阻和緩沖期隔離電流進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)。此外，還對被動元件的跨導(dǎo)、最大DC漏電流、飽和DC漏源電流、臨界電壓、閘極漏電流和拐點(diǎn)電壓進(jìn)行估值。工程師還求得了設(shè)備的RF數(shù)據(jù)，包括擊穿電壓、 fmax(MAG)、ft、電流電壓特性和轉(zhuǎn)移特性曲線。除了較低的表面閘極漏電流外，沒有觀察到明顯的數(shù)據(jù)差異。

       利用連續(xù)波莫里負(fù)載牽引測量對兩種設(shè)備在X頻帶頻率和不同漏電壓處的RF性能進(jìn)行估值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅襯底到金剛石襯底的改變使輸出功率多增加了1dBm-1.5 dBm，功率增加效率提高了7%。

       AFRL還對比了兩種HEMTs的電流波腹，發(fā)現(xiàn)硅襯底氮化鎵HEMTs要比金剛石襯底氮化鎵HEMTs對脈沖寬度更加敏感，如圖二所示。


       利用顯微拉曼熱分析可以獲得熱電阻的定量測量。金剛石襯底氮化鎵HEMT的熱電阻為8KW-1mm-1，如圖3所示；而硅襯底氮化鎵HEMT的熱電阻為21 KW-1mm-1。

CVD金剛石散熱片

       除了金剛石襯底GaN晶片外，CVD金剛石散熱片也能夠有效改善設(shè)備性能。研究者發(fā)現(xiàn)CVD金剛石集成包裝的金屬化對金剛石和設(shè)備之間的熱阻性有著重要影響；三層金屬化框架目前主要應(yīng)用于粘合穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。常用的金剛石散熱片材料是Ti/Pt/Au，穩(wěn)定性好、耐久力高。由于Ti和Pt的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，研究者又發(fā)現(xiàn)一種新的材料來替代，即Cr。Cr和金剛石生成一層碳，形成一層勢壘，且不需要額外添加其它金屬。熱導(dǎo)系數(shù)高達(dá)93.9W/mk。英國布里斯托大學(xué)的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Cr/Au的熱導(dǎo)系數(shù)要比Ti/Pt/Au高出三至四倍。

       Cr/Au的增強(qiáng)熱導(dǎo)系數(shù)為設(shè)備增加了不少優(yōu)勢，為驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員將高功率GaN -SiC HEMT固定在CVD金剛石散熱片上，為保障結(jié)果的可比性，所有試樣都放置在溫度穩(wěn)定平臺上，該平臺也有金剛石材料制備而成。如圖四所示，左圖為設(shè)備功率逐增時的基準(zhǔn)溫度變化。很明顯，Cr/Au裝置的溫度要低很多，設(shè)備輸出功率為9W時溫度為10℃。


       右圖為晶體管信道上直接測得的溫度。Cr/Au裝置的熱阻系數(shù)越低，9W輸出功率時的溫度下降就超過20℃。溫度越低，設(shè)備壽命就越長；亦或以更小的尺寸和更高的功率密度來封包裝配。

作者：Bruce Bolliger
元素六公司銷售和市場部主管.