佐治亚理工学院机械工程学院领导的一个研究小组在室温表面活化结合(SAB)的基础上实现了一系列的结果，将氮化镓和具有不同层间厚度的单晶金刚石结合在一起。新开发的技术最大限度地提高了氮化镓性能，用于更高功率的操作。

将GaN与其他材料集成在一起在技术上具有挑战性。金刚石和氮化镓很难与导热界面结合，且界面应力较低。该模型使GaN器件充分利用了单晶金刚石的高导热性，为大功率溶液提供了良好的冷却效果。由于其他标准工艺的热膨胀系数不同，环境温度过程不会引起物理应力问题。

介绍

电力电子工业已经看到硅mosfet达到了理论极限，现在需要转移到新的元素。氮化镓(GaN)是一种宽禁带、高电子迁移率的半导体，已被证明在满足新应用方面具有实际的附加价值。基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有优越的电气特性，在高压和高开关频率电机控制应用中是可替代mosfet和igbt的有效器件。

氮化镓是一种宽禁带(WBG)材料。因此，它的禁带(对应于电子从价带传递到导带所需的能量)比硅中的禁带宽得多:实际上，它大约是3.4电子伏特，而硅的禁带是1.12电子伏特。由于这种高要求的能量，氮化镓需要比硅薄10倍的材料来阻挡一定的电压，导致更紧凑的设备尺寸。氮化镓HEMT的电子迁移率越高，转换速度就越快，因为通常积聚在关节内的电荷可以更快地分散。更快的上升时间，更低的漏-源极导通电阻(RDS(on))值，更低的栅极和用GaN可达到的输出电容，这些都有助于降低开关损耗，并能在比硅高10倍的开关频率下工作。减少电力损失带来了额外的好处，如更有效的电力分配，更少的热量产生，和更简单的冷却系统。

GaN的性能和可靠性与通道上的温度和焦耳热效应有关。将碳化硅和金刚石等基材集成到氮化镓中可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。对于GaN-on-SiC器件，通道温度降低25度会导致器件寿命增加10倍左右。GaN器件在光电子、射频和汽车领域得到了广泛的应用。

金刚石的导热系数是硅的14倍，电场电阻是硅的30倍。高导热率使热得以扩散。金刚石的带隙为5.47 eV，击穿场为10 MV/cm，电子迁移率为2200 cm2Ns，导热系数约为21 W/cmK。

佐治亚理工学院、梅赛大学和早稻田大学的研究小组提出了一种新技术，该技术可以将高导热材料放置在离氮化镓有源器件更近的地方，从而最大限度地提高氮化镓的性能，实现更高功率的操作。关于“金刚”的市场是国防雷达和卫星通信，目前，5G基站的大规模生产也在进行中。

图1:GaN-On-Diamond应用概述[Source Yole Développement (Yole)]

“在设备和系统层面上，金刚烷上提供了高导热系数、高电阻率和小形状因子的关键参数。这些优点使得金刚对金刚功率放大器设备对高功率射频应用非常有吸引力，如商业基站、军事雷达应用以及卫星通信和天气雷达，”Yole开发公司的技术和市场分析师Ezgi Dogmus解释说。他补充称:“这一创新设备技术已开发了10多年，预计将在未来几年由RFHIC、Akash Systems和三菱电机等领先工业企业投入商用。”

GaN和金刚石的特征

GaN基HEMT的最大输出功率受到通道衬底高温的限制，这会降低系统性能和可靠性。金刚石是目前导热率最高的材料，通过与GaN的集成，它有助于消散通道附近产生的热量。

在HEMT设备工作期间，栅极附近的大电压降会引起局部焦耳热。加热区域位于几十纳米以内，这导致了超高的局部热通量。 GaN基HEMT的局部热通量值可能比太阳表面的热通量大十倍以上。适当的散热技术，例如将钻石放置在尽可能靠近热点的地方，可以有效地降低通道温度，从而促进器件的稳定性和使用寿命。该论文的第一作者，现在是UIUC的博士后。

当前使用的技术包括通过化学气相（CVD）在GaN上直接生长金刚石，并以介电层作为保护层，因为金刚石生长过程中的等离子体会损坏GaN。材料和界面的热阻的组合在热流管理中起着举足轻重的作用，特别是对于开关电源的高频应用。 CVD金刚石的生长温度高于700°C。当器件冷却至室温时，界面处的应力会使晶片破裂。另外，粘合层增加了GaN-金刚石界面的热阻，这抵消了金刚石基板高导热率的好处。

佐治亚理工学院，Meisei大学和早稻田大学的研究小组提出的研究使用了两种改进的SAB技术，在室温下将GaN与具有不同夹层的金刚石基板粘合在一起。两个待键合的表面被Ar离子束清洁和活化，并在该表面上产生悬空键。然后在室温下将两个表面压在一起。悬空键将在界面处形成共价键。在他们的工作中，一些硅原子被添加到界面上以增强界面键合。 “在美清大学和早稻田大学（Fengwen Mu和Tadatomo Suga）完成了联系。然后，在佐治亚理工学院（Zhe Cheng，Luke Yates和Samuel Graham）通过时域热反射率（TDTR）测量键合的界面。佐治亚理工学院还进行了相关的热建模，以评估键合界面对GaN器件的影响。”

TDTR用于测量热性能。可以通过高分辨率扫描电子显微镜（HR-STEM）和电子能量损失谱（EELS）进行材料表征。

时域热反射率（TDTR）

时域热反射（TDTR）是一种泵浦技术，具有超快飞秒激光，可测量GaN-金刚石界面的热边界电导。该技术使用在1至12 MHz之间调制的超快激光来控制热穿透深度。与泵浦脉冲相比，探测脉冲延迟了0.1到7 ns，以允许在这段时间内测量相对表面温度的衰减。锁相放大器允许提取光电探测器拾取的读取信号。温度变化是通过薄金属换能器（50-100 nm）的反射率变化来测量的。该系统能够测量0.1至1000 W / m-K的热导率和2至500 m2-K / G的热边界电阻。使用了钛蓝宝石飞秒激光器。

制作与测试

在佐治亚理工大学和Meisei大学进行的这项研究中，通过在界面处添加一些硅原子来帮助界面的化学粘合并降低热接触电导率，将GaN与金刚石结合。热边界电导（或TBC）描述了固-固界面之间的热传导。相关系数是指示通过界面传导热量的能力的性质。

该团队使用了两个样本。第一个样品由GaN薄层（约700 nm）组成，该薄层结合在商用单晶金刚石基板（通过CVD生长）上，硅单层的厚度为约10 nm。另一个样品具有约1.88-μm厚度的GaN结合在通过高压高温方法（HPHT）生长的商用单晶金刚石基板上。将GaN的厚度抛光到足够薄以进行TDTR测量（图2-4）。

使用以下样本结构，测量了无GaN区域上单个晶体金刚石基板的热导率。然后，在具有GaN层的区域上进行TDTR测量，以测量GaN金刚石结构的TBC。

“在GaN层上方进行测量时，在校正TDTR数据以提取TBC时，将所测得的金刚石基板的导热率用作已知参数。总体而言，存在三个未知参数：Al-GaN TBC，GaN热导率和GaN金刚石TBC。 TDTR是一种用于测量纳米结构材料和块状材料的热性能的技术。调制的激光束加热样品的表面，而另一束延迟的光束通过热反射检测表面温度的变化，并由光电探测器捕获。”

图2：（a）在金刚石和键合的GaN-金刚石样品上的TDTR测量。 （b）TDTR对三个未知参数的敏感性。 （c）室温下调制频率为2.2 MHz的Samp2的TDTR数据拟合[来源：Scientific Article]

图3：（a-b）样品1的GaN-金刚石界面的横截面图像。（c-d）样品2的GaN-金刚石界面的横截面图像。[来源：Scientific Article]

图4：测试期间团队的一部分，郑哲和山姆·格雷厄姆

本文编译自powerelectronicsnews。