金剛石基氮化鎵（GaN）技術(shù)的未來展望

近十年來，氮化鎵（GaN）的研究熱潮席卷了全球的電子工業(yè)。這種村料屬于寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，是近２０余年以來研制微波功率器件最理想的半導(dǎo)體材料。隨著外延材料晶體質(zhì)量的不斷提高和器件工藝的不斷改進(jìn)，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和電路，工作頻率越來越高，輸出功率越來越大。

隨著基于氮化鎵（GaN）材料的微波功率器件向更小尺寸、更大輸出功率和更高頻率的方向發(fā)展，“熱”的問題越來越突出，逐漸成為制約這種器件向更高性能提升的最重要問題之一。采用高熱導(dǎo)率金剛石作為高頻、大功率氮化鎵（GaN）基器件的襯底或熱沉，可以降低氮化鎵（GaN）基大功率器件的自加熱效應(yīng)，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現(xiàn)的功率密度迅速下降的問題，因此，成為近幾年的一個(gè)國際研究熱點(diǎn)。

硅、碳化硅（SiC）、金剛石基GaN對比

金剛石基氮化鎵（GaN）技術(shù)

金剛石在目前所知的天然物質(zhì)中具有最高的熱導(dǎo)率，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(shí)能夠有效散熱。在高頻、大功率GaN 基高電子遷移率晶體管（HEMT）和電路的散熱方面極有應(yīng)用潛力。

Felix Ejeckam于2003年發(fā)明了金剛石上的GaN，以有效地從GaN晶體管中最熱的位置提取熱量。其基本理念是利用較冷的GaN放大器使系統(tǒng)更節(jié)能，減少浪費(fèi)。金剛石上的GaN晶片是通過GaN通道或外延將其從原始的Si襯底中剝離下來，而后通過一個(gè)35 nm的SiN界面層結(jié)合在CVD合成的金剛石襯底上。這種200°C的GaN通道與CVD形成納米級的金剛石是接近最導(dǎo)熱工業(yè)材料,它會(huì)大大降低放大器的基板和通道之間的溫度上升。圖1顯示了金剛石晶圓片上GaN的制作過程。多年來，許多課題組已經(jīng)量化了上述的熱改善。先將Si基GaN HEMT晶圓片黏貼到一個(gè)臨時(shí)Si載片上，待原始的硅基板被蝕刻掉，然后利用CVD方法在GaN層下方的35 nm的界面層上沉積金剛石。最后，臨時(shí)的Si載體被蝕刻，最終的金剛石上的GaN晶圓被加工為HEMTs或MMICs。

圖1 金剛石晶圓片上GaN的制作過程

技術(shù)系統(tǒng)影響

與SiC基GaN相比，如果GaN MMIC產(chǎn)生的熱量可以降低40%到50%，那么就可以將更大的功率密度壓縮到更小的體積空間中。功率是下行數(shù)據(jù)速率計(jì)算的直接參數(shù)，功率越高，傳送的信息越多。在非常緊湊的空間中，使用金剛石上GaN可以降低對于冷卻系統(tǒng)的要求。因?yàn)榕c使用標(biāo)準(zhǔn)的SiC基GaN功率放大器相比，金剛石上GaN的使用可以允許環(huán)境溫度升高得更高，同時(shí)不會(huì)降低性能與可靠性。冷卻裝置的減少也意味著重量和尺寸的減少。

金剛石基氮化鎵發(fā)明人成立Akash系統(tǒng)公司

2003年，還在Group4 Lab供職的Ejeckam，通過將在硅上生長的GaN外延層轉(zhuǎn)移至合成化學(xué)汽相淀積的金剛石襯底上，發(fā)明了金剛石基氮化鎵。Group4Lab的資產(chǎn)在2013年被戴比爾斯集團(tuán)成員企業(yè)之一的ElemenSix技術(shù)公司收購。Felix Ejeckam和TyMitchell于2016年聯(lián)合成立了位于美國加州舊金山的Akash系統(tǒng)公司，并與韓國RFHIC公司達(dá)成一致，共同協(xié)商買回了金剛石基氮化鎵專利。

金剛石基GaN應(yīng)用： 衛(wèi)星通信功率放大器

目前而言最先進(jìn)的商業(yè)衛(wèi)星以100-200Mbps的速度傳輸于地球，而對于一些先進(jìn)的大型單一衛(wèi)星概念目標(biāo)為1至4Gbps。這些速率數(shù)據(jù)很大程度受限于制作信號傳輸器的射頻功率放大器。Akash首次建造了一個(gè)小型衛(wèi)星系統(tǒng)（12U），它將初步實(shí)現(xiàn)14Gbps的下行數(shù)據(jù)速率。接下來的demo數(shù)據(jù)速率將超過100Gbps，而最終目標(biāo)定為一個(gè)普通的衛(wèi)星的下行速率達(dá)到1Tbps。為達(dá)到最終目標(biāo)，他們將使用金剛石上的GaN射頻功率放大器。

Akash的設(shè)計(jì)師最近展示了高性能的金剛石基GaN晶體管（簡化的功率放大器）。在k波段20GHZ頻率下表現(xiàn)出60%的功率附加效率(PAE) (參見圖2)。最近由美國國防部高級研究計(jì)劃局資助，來自佐治亞理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校和第六元素的一組研究員共同研究GaN器件的溫升發(fā)現(xiàn)：從GaN通道到襯底底部的溫度是變化的，與相同的SiC基GaN器件相比溫度降低80℃。這項(xiàng)研究所用的晶圓等同于Akash Systems用的金剛石上GaN。

圖2：使用增益為7.9 dB 的2.9 W (5.6 W/mm)HEMT的示例設(shè)備得到的PAE為61%，偏置點(diǎn)為24 V

圖3顯示了不同類型的金剛石上GaN晶圓的10 finger HEMT從中心到邊緣的通道的溫度分布。Akash Systems采用“有低熱邊界阻抗(TBR)的梯度金剛石”制作金剛石上GaN (綠色)；這條曲線呈現(xiàn)152°C峰值溫度(第一個(gè)峰值)。SiC基GaN在器件上同一點(diǎn)的溫度是232℃。

圖3：顯示了不同類型的金剛石上GaN的10finger HEMT晶圓片的通道中心到邊緣的溫度分布

Akash Systems計(jì)劃在2019年發(fā)射一個(gè)24公斤12U(36cm x24cm x23cm )的衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)入LEO軌道，它將包含一個(gè)以金剛石基GaN功率放大器為基礎(chǔ)的20瓦的信號傳送器。該系統(tǒng)將展現(xiàn)一個(gè)具有里程碑意義的14gbps數(shù)據(jù)速率，對于這樣尺寸的衛(wèi)星系統(tǒng)是獨(dú)一無二的。

金剛石基GaN的未來展望

將金剛石引入高頻、大功率GaN基微波功率器件和電路，解決器件的散熱問題，是近幾年的國際研究熱點(diǎn)?；诙嗑Ы饎偸囊r底轉(zhuǎn)移技術(shù)、基于單晶金剛石的材料直接外延技術(shù)和基于納米金剛石薄膜的器件表面覆膜技術(shù)，在解決高頻、大功率GaN基HEMT的散熱方面都具有非常重要的應(yīng)用潛力。

下一代金剛石基GaN技術(shù)將支撐未來高功率射頻和微波通信、宇航和軍事系統(tǒng)，為5G和6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和更復(fù)雜的雷達(dá)系統(tǒng)鋪平道路。