
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。”

來源:Applied Physics Express
鏈接:DOI 10.35848/1882-0786/adcb87