革命性变革：金刚石基GaN

材料往往因特定优势而闻名。金刚石正因为在室温下具有最高的热导率（2000W/m.K)，兼具带隙宽、击穿场强高、载流子迁移率高、耐高温、抗酸碱、抗腐蚀、抗辐照等优越性能，而在高功率、高频、高温领域有至关重要的应用。金刚石，已被认为是目前最有发展前途的宽禁带半导体材料之一。

    美国国防部高级研究计划局（DARPA）微系统技术办公室主任Mark Rosker在去年举办的CS Mantech上表示，化合物半导体行业将很快进入第三波材料技术浪潮。这个时代将看到由不同材料组合制造的器件。

   

  图1.Rosker 认为，第三次浪潮现在开始出现，器件采用突变结和具有不同晶格常数的高性能材料。
    为了说明第三波器件可能是什么样子，Rosker 强调了一种由威斯康星大学麦迪逊分校和密歇根州立大学合作创新的新型HBT器件。使用在同质衬底上生长的 AlGaAs/GaAs膜转移，该团队构建了带有金刚石衬底、p 型金刚石集电极、Al2O3中间层和提供发射极和基极结的 AlGaAs 层的HBT（见图 1）。通过采用嫁接技术，工程师克服了 GaAs 基层和金刚石之间 37% 的晶格失配。这是一项突破，为将HBT的一些传统优点与金刚石出色的散热能力以及可提高晶体管击穿电压的更高带隙相结合打开了大门。

   键合晶圆
    将不同的化合物半导体材料组合在一起的更成熟的方法是直接晶圆键合。这种方法的一种变体，称为表面活化键合，具有很大的吸引力，因为它不需要任何湿法处理，晶片在室温下键合在一起。
    Akash 是金刚石基GaN的先驱，为了用这种技术将材料结合在一起，晶片被装入一个真空室，真空室被抽至10-6帕左右，然后用中性原子束（通常是氩）轰击晶片表面，原子束被加速1-2千伏。这些碰撞消除了天然氧化物并产生了活化表面。然后将成对的晶片压在一起，通常键合压力约为10 MPa（见图2）。
   

  图2.在真空条件下工作，用快速原子束 (FAB) 轰击晶圆去除了原生氧化物，形成了一个用于键合的表面。
    在CS Mantech大会上，大阪城市大学（Osaka City University）的小组负责人、这种晶圆键合方面的专家Naoteru Shigekawa概述了优化这种工艺的标准，然后用新型器件的例子说明了其能力。虽然他的器件仅限于连接直径不超过2英寸的晶圆，但他很快指出，有可用的商用工具，适用于300毫米晶圆的高通量键合。
    Shigekawa 告诉与会者，晶圆的表面粗糙度会影响键合良率。他的团队的实验表明，要成功键合，表面粗糙度值Ra必须低于1 nm，理想情况下小于该值的一半。外延片往往远高于此值，但抛光会使它们的表面变平，从而实现成功的键合（见图3）。
   

  图3.晶片的平整度决定了键合良率。抛光可降低粗糙度，并增加高质量键合的机会。
    应用这种形式的键合时需要小心，因为表面活化会导致干蚀刻，这会增加表面粗糙度并降低产量。蚀刻的另一个缺点是它引入了中间间隙状态。“我们假设这种中间间隙状态对键合界面的电气特性有负面影响，”
Shigekawa说，他补充说，一种解决方案是键合后退火，这可以导致界面特性的恢复。

    为了说明这一点，Shigekawa 展示了键合硅和 GaAs 晶片的透射电子显微镜。在退火之前，界面处有一个类似非晶的过渡层。在 300℃下退火会导致该层收缩，而在 400℃下它会由于再结晶而消失。
    Shigekawa 及其同事还使用电学测量来评估退火如何调整界面特性。对通过将两个n型硅晶片键合在一起以及通过将两个p型硅晶片键合在一起形成的结进行的研究表明，在1000℃下退火10分钟会将界面态密度从 1013cm-2eV-1左右降低到此值的五分之一。

  大阪城市大学的团队已经生产了一系列具有晶圆键合的新型器件，包括多结太阳能电池、具有宽带隙和窄带隙材料之间结的功率器件，以及具有金刚石层以增加电流扩散的场效应晶体管。对于后者，器件是通过将金刚石直接键合到半导体材料上形成的，一种是硅，另一种是 GaA，并将金刚石键合到散热器上。新架构有望大幅降低热阻。
    使用热成像仪，Shigekawa 和同事测量了他们结点的热阻。为了提供基准，他们使用了热阻为35 K/W的键合 GaAs-蓝宝石结（见图 4）。相比之下，GaAs-金刚石结的电阻仅为 6 K/W，这就允许器件在不过热的情况下更稳定可靠工作，或者采用更简单的热管理方法。

   

  图4.与蓝宝石相比，金刚石具有极高的导热性，可降低该结处的热阻。
    研究人员还考虑了将 GaN 与金刚石键合。布里斯托大学的 Martin Kuball 团队对这些结构进行了微拉曼测量，结果表明这些结构内的应力与硅基 GaN 的应力相似。

 金刚石散热
    加利福尼亚州旧金山的 Akash Systems 致力于开发用于卫星通信的金刚石GaN晶体管、功率放大器和无线电。在这种环境下，散热的唯一机制是辐射。使用金刚石基氮化镓，热量从HEMT的通道中排出的速度比使用 SiC上GaN 快得多，从而允许更高的衬底温度 - 最终通过辐射更好地散热。
    请注意，通过降低器件的强度来避免高温并不是一个很好的折衷方案，因为这会降低数据传输速率。说明这一点的是 Akash 的产品之一，金刚石GaN 无线电，它采用 10 厘米×10 厘米×3 厘米的封装，当放置在 550 公里的高度时，可以提供超过 600 Mbit/s的数据速率 – 这是100 MHz信道中8 GHz左右的传统SiC上GaN技术速率的五倍多。
    在Akash，工程师们将未加工的硅基GaN外延片的外延面连接到一个临时载体，移除硅衬底，在该处生长一层金刚石，然后移除临时载体来形成新器件。由于沉积的金刚石形成了一个相当粗糙的层，因此必须对其进行抛光。将临时载体连接到外延片的选项包括扩散键合和等离子体激活键合。但在 Akash，出于多种原因，他们更喜欢玻璃熔块键合（也称为玻璃焊接）（见表 1）。熔块键合的主要属性是它可以应用于完整的晶片，它在随后用于金刚石生长的高温下保持其强度，并且它可以适应 GaN 中的弯曲、翘曲和缺陷。

   

  表1. Akash 的工程师在生产金刚石GaN 器件时采用玻璃熔块工艺的原因有很多。
    Francis 解释说，通过熔化玻璃，它们可以满足表面粗糙度和弯曲度。“因为你把玻璃做得足够厚，你可以为5微米的缺陷提供一定程度的粗糙度，而不会有太多麻烦。”
    Akash 的团队与布里斯托尔大学的 Kuball 团队合作，量化了去除过渡层所带来的散热改进。这些过渡层受到其三元性质以及众多缺陷的阻碍（见图5）。热导率通常为15W/m.K，比GaN的值低约10倍。为了避免这个问题，Akash 在添加导热系数为1600W/m.K的金刚石之前去除了这些过渡层。
   

  图5.Akash 使用硅基GaN HEMT 作为生产其金刚石基GaN器件的起点。硅基 GaN 的透射电子显微镜图像，显示过渡层（左）和金刚石基 GaN（右）中的缺陷密度非常高。
    在 GaN 上沉积高质量的金刚石层并不容易。金刚石层有侵扰 GaN 的趋势，在界面形成爆米花状的纳米级结构。解决方案是添加一层SiN。由于其导热系数非常低，因此需要尽可能薄，同时仍能确保优质的金刚石薄膜。Francis表示，在考虑器件性能和一致性时，25 nm 左右的厚度会产生最佳结果。
    由于沉积的金刚石形成数十微米大小的颗粒，因此需要抛光工艺以确保表面光滑。第一步将峰谷粗糙度变化从30μm减少到5μm，然后第二步将表面粗糙度降低到 0.5μm。应用这两个步骤会修整钻石的总厚度，从大约200微米降至105微米。
    Francis 及其同事将 GaN-on-SiC HEMT的性能与基于金刚石的 GaN HEMT的性能进行了比较。前者的测量结果是，栅极长度为150 nm、工作频率为20 GHz、效率为25%的器件，当通道温度为200℃时，衬底温度为 25℃。对于金刚石基 GaN 变体，由于该团队尚未完善 150 nm工艺，因此采用了250 nm的栅极长度。较大的栅极将效率降低到20%。然而，令人鼓舞的是，对于 200℃的通道温度，基板温度可以高达100℃，从而允许器件在不需要主动冷却的情况下在太空中运行。

    这一有希望的结果，就像 Rosker 描述的那些器件——以及麻省理工学院和大阪城市大学制造的那些器件——让我们看到了未来可能发生的事情。当器件使用不同的材料时，许多门都可以打开，这有助于将我们行业的重要性提升到一个全新的水平。