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钻石基氮化镓在下一代功率元件中大显身手    

氮化镓(GaN)现在很夯,而更夯的是,为了将GaN与其他材料整合在一起以进一步提高GaN的性能,不同厂商之间展开的竞争。

「无论是在元件级还是系统级,钻石基氮化镓(GaN-on-diamond)都可以提供高导热率、高电阻率和小尺寸。因此,对商用基地台、军用雷达、卫星通讯和气象雷达等高功率RF应用而言,钻石基GaN功率放大器元件都极具吸引力。」YoleDéveloppement技术与市场分析师EzgiDogmus解释,「十多年来这项创新技术一直在开发中,预计未来几年,RFHIC、AkashSystems和三菱电机等业界领先厂商会将其投入商用。」

由美国乔治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)机械工程系带领的一个团队在室温下采用表面活化键合(SAB)方法,透过不同厚度的中间层,将GaN的单晶钻石键合,得到了一系列结果。这种新技术可使GaN达到最好的性能,从而用于功率要求更高的场合。

要将GaN与其他材料整合,在技术上仍具挑战。利用导热介面和在介面处施加低应力来键合钻石和GaN非常困难,但这种方法使GaN元件可以充分利用单晶钻石的高导热性,从而为大功率应用提供出色的冷却效果。由于采用常温制程,因此不会像其他标准制程那样因热膨胀系数不同而产生物理应力问题。

MOSFET已达极限  

在电力电子产业,矽MOSFET的性能已经达到了理论极限,现在急需新的技术。GaN是一种具有宽能隙及高电子迁移率的半导体,已被证明能够满足新的应用。基于GaN的高电子迁移率电晶体(HEMT)元件具有出色的电气特性,是替代高压和高开关频率马达控制应用中MOSFET和IGBT的理想元件。

GaN是一种宽能隙材料,其能隙(电子从价带跃迁到导带所需的能量)比矽的能隙要宽得多,具体地说,GaN的能隙大约为3.4eV,而矽的能隙为1.12eV。由于所需的能量较高,GaN阻挡特定电压所需的材料比矽要薄10倍,使元件尺寸更小。GaNHEMT的电子迁移率越高,开关速度就越快,因为聚积在异质结介面的电荷可以更快地散去。

GaN具有更快的上升时间、更低的汲-源导通电阻(RDS(on)),以及更小的闸极和输出电容,这些都有助于降低开关损耗,并能在比矽高10倍的开关频率下工作。减少功耗带来诸多好处,例如功率分配更高效、产生的热量更少、冷却系统更简单。

GaN的性能和可靠性与通道温度和焦耳热效应有关。整合到GaN的SiC和钻石等基板可以改善热管理,从而降低元件的工作温度,对于SiC基GaN元件,通道温度降低25度,元件寿命将延长约10倍。

钻石的导热率比矽高14倍,而电场电阻则高30倍。由于导热率高,因此热传导性好。钻石的能隙为5.47eV,击穿场强为10MV/cm,电子迁移率为2,200cm2Vs,导热率约为21W/cmK。

由乔治亚理工学院、日本明星大学和早稻田大学组成的一个合作开发团队展示了一种新技术,可让具有高导热率的材料更加靠近主动元件中GaN的区域,从而最大限度地提高大功率应用中GaN的性能。

GaN元件已广泛用于光电子、RF和汽车领域。钻石基GaN的主要市场则是防御雷达和卫星通讯,目前也已开始针对5G基地台应用进行大规模生产。

GaN和钻石特性  

当基于GaN的HEMT通道基板温度较高时,其最大输出功率就会受到影响,从而降低系统性能和可靠性。钻石是目前导热率最高的材料,透过与GaN整合,可以帮助散去通道附近产生的热。

HEMT元件工作时,如果闸极附近出现大的压降,就会引起局部焦耳发热。发热区域在几十奈米范围以内,这会导致局部热通量超高。基于GaN的HEMT局部热通量值可能比太阳表面的热通量值大10倍,合适的散热技术,例如将钻石的位置尽可能靠近发热区域,可以有效降低通道温度,从而增强元件的稳定性,延长元件寿命。

目前使用的技术包括透过化学气相沉积(CVD)在GaN上直接生长钻石,利用介电层作为保护层,因为在钻石的生长过程中等离子体会损坏GaN。材料及介面的热阻在热流量管理中有着举足轻重的作用,特别是对于高频开关电源应用。CVD钻石的生长温度高于700℃,当元件冷却至室温时,介面上产生的应力会使晶片破裂。另外,黏合层增加了GaN-钻石介面的热阻,这会削弱钻石基板高导热率带来的好处。

乔治亚理工学院、明星大学和早稻田大学合作研究小组采用两种改进的SAB技术,透过不同的中间层,在室温下将GaN与钻石基板键合。利用氩离子束对两个待键合的表面进行清洁和活化,在其表面产生悬空键,然后在室温下将两个表面压在一起,悬空键将在介面上形成共价键。研究小组在介面上添加了一些矽原子,以增强介面的键合。

乔治亚理工学院博士ZheCheng说:「键合是在明星大学和早稻田大学(FengwenMu和TadatomoSuga)完成,然后在乔治亚理工学院(ZheCheng、LukeYates和SamuelGraham)利用时域热反射法(TDTR)来测量键合介面。乔治亚理工学院还完成了相关的热建模,用来评估键合介面对GaN元件的影响。」

TDTR用于测量热性能。利用高解析度扫描电子显微镜(HR-STEM)和电子能量损失谱(EELS)可以完成材料表征。

TDTR

TDTR采用超快飞秒雷射泵浦-探测技术,利用1~12MHz的调变超快雷射来控制热穿透深度,可以测量GaN-钻石介面的边界热传导。与泵浦脉冲相比,探测脉冲延迟了0.1~7ns,因而可以测量相对表面温度的衰减。锁相放大器可撷取光电探测器检测到的读取讯号。温度变化是根据薄金属换能器(50~100nm)反射率的变化来测量,该系统能测量0.1~1,000W/mK的导热率和2~500m2-K/G的热边界电阻,还使用了钛宝石飞秒雷射器。