一种新型复合SiC-金刚石衬底与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案

金刚石材料具有自然界物质中最高的热导率（高达2000 W/m·K），在大功率激光器、微波器件和集成电路等小型化高功率领域的散热均有重要的应用潜力。特别是面向高功率密度GaN HMET的散热管理需求，金刚石材料被视为GaN HEMT功率器件热扩散材料的最佳选择，有望改善其“自热效应”，实现高频、高功率的应用。金刚石-GaN材料制备、结构设计、器件制备和热电等特性测试已成为凝聚态物理、材料科学、表面/界面科学与半导体等领域的交叉研究热点。

 

山东大学新一代半导体材料研究院徐现刚、彭燕、胡秀飞、葛磊等集合材料、器件团队优势，提出新型复合SiC-金刚石衬底与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案，通过系列工作解决了异质界面多晶成核的问题，实现了在4H-SiC衬底上直接生长多晶金刚石；构建理模型获得了SiC衬底减薄至最佳厚度的方案，制备出由200 μm 4H-SiC和200 μm金刚石组成的Diamond-SiC复合基板；兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技术，在金刚石-SiC复合衬底上制备高质量的GaN外延薄膜，并制备出高性能器件。

与现阶段的GaN-on-SiC工艺相比，改进结构的GaN器件表面温度和热阻均有明显降低。在Tb = 25 ℃时，GaN-on-diamond/SiC器件在20 V时功耗增加了19 %，热阻降低了41 %，表面温度降低了33%。在Tb = 70 ℃高温下，功耗增加了11 %，热阻降低了31 %，表面温度降低了26%。

研究工作提出了利用SiC的结构优势和金刚石的超强导热性能，构建GaN基器件的高效散热衬底的新方案，并在材料生长及机理、理论模拟和器件性能提升做了深入研究，证实了金刚石/ SiC复合衬底在高温下具有稳定的输出特性和可靠性，为解决GaN高功率密度下的自热问题提供了新思路，为下一代大功率器件热管理提供了新策略。

 

图1.金刚石-SiC-GaN制备流程

图2 Tb = 25 °C 时金刚石-SiC复合衬底和SiC衬底上的GaN器件的I-V曲线

图3 Tb =25 °C时器件表面温度与耗散功率的关系

图 相同耗散功率(Pdiss = 7.2 W mm-1)下，Tb = 25 °C时器件的热像图：(a) GaN-on-SiC；(b) GaN-on-diamond/SiC。 

相关论文发表在Carbon杂志期刊上，山东大学博士研究生胡秀飞为文章的第一作者，彭燕、葛磊和徐现刚为通讯作者。

作者简介

胡秀飞，2019年9月至今，在山东大学新一代半导体材料研究院攻读工学博士学位，材料科学与工程专业，从事半导体材料及器件相关研究工作。主要从事碳化硅/金刚石材料制备及其应用的研究，通过系列工作解决了异质界面多晶成核的问题，完成新型复合SiC-金刚石材料材料生长和表征工作，兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技术，提出了与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案，为解决GaN高功率密度下的自热问题提供了新思路和新策略。

葛磊博士，2023年6月毕业于山东大学凝聚态物理学专业，获理学博士学位。2023年6月至今，在山东大学新一代半导体材料研究院从事博士后研究工作。主要从事碳化硅/金刚石功率器件制备及其应用的研究，制备的高性能紫外探测器领域的金刚石MOSFET及MESFET器件；开拓了新型路线探索金刚石高热导率解决氮化镓器件散热问题。

彭燕研究员，博士生导师。2011年06月毕业于山东大学晶体材料国家重点实验室，获理学博士学位。2017-2018年美国田纳西大学访学。入选2022年 “仲英青年学者”奖励计划。重点研究SiC、金刚石材料及器件的制备、表征及应用研究。承担/参与重点研发、973、核高基及自然科学基金项目等10余项，发表SCI论文40余篇，申请/授权专利30余项。

徐现刚教授，凝聚态物理、半导体材料学教授，博士生导师，现任山东大学新一代半导体材料研究院主任/晶体材料国家重点实验室主任。获教育部长江计划特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，泰山学者特聘专家等荣誉称号。主要研究方向宽禁带超宽禁带半导体材料及器件，半导体激光器等，在国内外发表论文400余篇，被引4000余次。授权发明专利100余项。其主要研发的SiC衬底材料、半导体激光器技术是产学研结合的典范。

附：论文原文：http://www.casmita.com/file/upload/202401/04/093505831.pdf

 

审核编辑：刘清