第一顆采用GaNHEMT的后處理金剛石，用于器件冷卻

DT半導體材料 2025-05-08 18:09

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Carbontech2025第九屆國際碳材料大會暨產業展覽會（12月9-11日上海），以“材料創新驅動產業變革”為主線，構建覆蓋全產業鏈的三大主題展館，其中N1半導體碳材料館聚焦金剛石及超硬材料的最新成果與應用。

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美國斯坦福大學和加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）宣稱首次在射頻（RF）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）上實現了后處理金剛石集成。本研究成功地將 150 nm Lg、N 極性 GaN HEMT 與頂部和有源區側壁的全方位金剛石集成在一起。研究人員認為，這為使用金剛石散熱片對 X 波段 GaN HEMT 進行熱管理提供了一個“有價值的平臺”。

團隊評論道：“自熱效應導致溝道溫度在柵極電極的漏極邊緣達到峰值，從而降低了溝道遷移率并縮短了使用壽命。這使得在射頻功率放大器中，除了傳統的封裝級冷卻技術外，還需要采用器件級的冷卻方法來降低結溫/溝道溫度。”

X 波段的頻率范圍為 7 至 12 吉赫，應用于通信和雷達領域。氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMTs）在溫度升高時可能會出現性能下降和可靠性差的問題，這是由于高輸入功率導致散熱不足所致。人們希望高導熱性的金剛石能夠將熱量從器件結構中導出。

研究人員報告稱：“我們在器件有源區的頂部和側壁上集成了金剛石。頂部散熱方法為熱耗散提供了一條替代路徑，通過沉積的金剛石繞過生長堆棧中緩沖層/成核層的高電阻。此外，N 極化器件在 GaN 通道層下方放置了 AlGaN 阻擋層；因此，頂部的金剛石距離熱點不到 10 納米，效率極高。”氮化鎵射頻器件的開發特別著眼于高功率密度，以實現更遠的傳輸距離和更低噪聲下的更優信號質量。

圖 1：采用“器件優先”方法制造全方位金剛石集成 N 極化 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）器件所遵循的步驟順序。

研究人員采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝，在 2 英寸半絕緣碳化硅（SiC）襯底上生長了具有鋁鎵氮（AlGaN）勢壘和原位氮化硅（SiN）結構的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）（圖 1）。研究人員采用了氮極性而非鎵極性的 III 族氮化物結構，因為這種材料可帶來更高的功率密度、二維電子氣（2DEG）分布以及可擴展性能。

在金剛石沉積之前，采用金屬-絕緣體-半導體（MIS）高電子遷移率晶體管（HEMT）結構，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）再生長重摻雜的 n+ 砷化鎵源/漏極接觸，MOCVD 氮化硅柵極絕緣層以及鉬（Mo）柵極電極。通過臺面刻蝕將各個器件進行電隔離。為金剛石沉積工藝，在器件上覆蓋了一層原子層沉積（ALD）二氧化硅（SiO2）保護層。源極/漏極間距為 1 微米（LSD），柵極長度為 150 納米（LG），柵極與漏極間距為 400 納米（LGD）。

全方位的金剛石覆蓋了整個裝置，包括臺面側壁以及臺面以外的蝕刻表面。金剛石是在微波等離子體化學氣相沉積系統中沉積的。金剛石的平均晶粒尺寸取決于生長溫度：在 500°C 時為 350 納米，在 700°C 時為 700 納米。

生長溫度也影響了源漏接觸電阻：500°C 和 700°C 時分別為 1.4 歐姆·毫米和 0.24 歐姆·毫米。源極和漏極區域之間二維電子氣通道的相應方阻分別為 500°C 時 250 歐姆/平方和 700°C 時 225 歐姆/平方。這些值與不含金剛石的樣品的方阻相匹配。

500°C 樣品的接觸電阻較高，被歸咎于“在金剛石蝕刻過程中對 n+ 再生長的氮化鎵造成的損傷”。該團隊表示，蝕刻工藝正在進一步優化以解決這一問題。

通過 300 納米的金剛石層蝕刻出源極/漏極和柵極的接觸孔，隨后沉積鈦/金（Ti/Au）金屬電極以形成歐姆源極/漏極接觸。另外一層 Ti/Au 提供了接地-信號-接地（GSG）焊盤。優化了金剛石反應離子蝕刻工藝，使其對蝕刻底層器件層具有選擇性。采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）二氧化硅硬掩模進行圖案化。

研究人員報告稱：“發現減少源/漏接觸區域的損傷對于實現更低的接觸電阻至關重要……從柵極墊區域和源/漏 n+GaN 區域分別進行金剛石刻蝕，以便更好地控制金剛石刻蝕過程。”

該團隊表示，金剛石沉積無空洞且均勻，這對于更好地冷卻器件至關重要。“在器件中，源/漏金屬懸垂于金剛石層之上，以促進金屬與金剛石層之間的熱流。”他們補充道。

盡管 700°C 的蝕刻工藝帶來了較低的源漏接觸電阻，但柵極卻出現了高漏電流，無法調節電流，這使得其作為晶體管毫無用處。