斯坦福：采用全金剛石冷卻 RF GaN HEMT

斯坦福大學的工程師們宣布，他們首次在GaN HEMT的后處理金剛石集成方面取得了突破性進展。他們認為，這種方法將150毫米N極GaN MIS-HEMT包裹在金剛石中，將為使用金剛石散熱器進行X波段GaN HEMT的熱管理提供一個寶貴的平臺。

該團隊的工作是多年來開發的眾多方法之一，旨在解決 GaN HEMT 中的自熱問題——這個問題會影響該設備的性能和可靠性。

許多降低自熱的嘗試都涉及通過在背面集成散熱器來調整HEMT溝道的熱邊界阻。之前的研究包括在金剛石襯底上生長GaN HEMT疊層、將襯底從藍寶石轉移到銅，以及添加銅填充的微溝槽。

所有形式的背面集成的一個缺點是，通道中產生的熱量必須流過往往具有高熱阻的緩沖層和/或成核層。

為了解決這一缺陷，斯坦福大學的團隊在設備有源區域的頂部和側壁上都集成了金剛石，從而實現了繞過高阻緩沖層和/或成核層的熱量提取路線。

該團隊的最新方法是其先前技術的繼承者，被稱為“鉆石優先”和“門優先”。

據團隊發言人 Srabanti Chowdhury 介紹，這些先行技術——先鉆石工藝和先柵極工藝——比其他方法具有顯著優勢，并且各自適合不同的集成策略。

Chowdhury 對這兩者進行了深入分析，并評論道：“在先金剛石工藝中，柵極和其他器件區域的光刻必須直接在金剛石表面進行，這可能很有挑戰性——尤其是在亞微米尺度上。”

他補充道，相比之下，先柵極工藝需要在預定義的柵極結構上沉積金剛石，從而無需在金剛石上進行柵極光刻。因此，從制造的角度來看，先柵極工藝是一種更易于管理的方法。

“然而，先柵極方法的成功取決于能否在足夠低的溫度下生長金剛石，以避免降低底層柵極堆疊的電氣性能，”Chowdhury 說道。“當滿足這一條件時，在柵極上集成金剛石就變得可行且具有吸引力。”

如圖所示，該團隊的工藝首先通過 MOCVD 形成 GaN-on-SiC 外延層，然后添加源極、柵極和漏極觸點，沉積金剛石，進行局部蝕刻，以及添加接地信號接地焊盤。

Chowdhury 及其同事制作了兩種形式的柵極全覆蓋 HEMT，分別在 500°C 和 700°C 下沉積金剛石。Chowdhury 解釋說：“從生長的角度來看，在 700°C 下生長更容易、更直接，但對于先柵極工藝而言并不實用。”他指出，這個溫度超出了柵極堆疊的熱預算。“相比之下，采用 500°C 或更低溫度的生長工藝，可以實現安全的集成，而不會產生這樣的風險。”

在700°C下使用金剛石沉積生產的器件沒有表現出柵極調制，這是因為金剛石的生長溫度較高，導致柵極漏電流較大。同時，在500°C下使用金剛石沉積生產的器件的測量結果顯示，其閾值電壓為-8V，開關比為10 ^{^5}，峰值跨導為190mS mm^ ^-1，漏極飽和電流為0.96mA mm^ ^-1。

“未來的研究將側重于將這種集成技術擴展到更大的器件陣列，并研究其在高功率工作下的長期可靠性，”Chowdhury說道。他的計劃還包括探索與其他柵極架構和封裝方案的集成，以進一步提高熱性能和電性能的協同優化。“最終，我們的目標是開發一種可擴展、可制造的熱集成策略，從而為X波段及更高波段制造出高功率密度、熱可靠性高的GaN器件。”