金刚石作为散热材料在氮化镓基电子器件中的应用

随着GaN基电子功率转化器的功率密度增加和尺寸减小，器件的散热成为实际应用的关键问题。金刚石在所有天然材料中具有最高的热导率，可用于与 GaN 集成以消散 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 通道产生的热量。目前的金刚石基 GaN 晶片（GaN-on-diamond）制备技术包括三种策略：GaN与金刚石结合、金刚石在GaN上的外延生长和GaN在金刚石上的外延生长。

由于大的晶格失配和热失配，金刚石基氮化镓晶片的集成受到应力、弯曲、裂纹、界面粗糙和热边界电阻大的影响。过渡层或缓冲层的界面阻碍了来自器件通道的热流，并极大地影响了器件性能。

日本国立物质材料研究所桑立雯研究员团队总结了三种不同的技术来实现GaN-on-diamond晶圆制备AlGaN/GaN HEMT器件。讨论了每种方法所面临的问题和挑战。此外，针对不同的集成和测量方法，分析了表征热量集中的 GaN 和金刚石之间的有效热边界电阻。

图1. 用于HEMT器件的金刚石基GaN晶片的制造

S：源极，D：漏极，G：栅极。

文章系统的综述了近年来用不同方法制备GaN-on-diamond晶圆的研究进展、材料的性能以及制备的HEMT器件。GaN 或制作精良的 AlGaN/GaN HEMT 器件与金刚石的键合可以保持 GaN 器件和金刚石衬底的质量。然而，介电夹层对于高温或室温键合以及由表面活化引起的非晶层是必需的。该夹层阻碍了来自器件通道的热流，导致大的有效热边界电阻（TBR_eff）。近年来，SCD 衬底上 GaN 或 AlGaN/GaN HEMTs 结构的生长技术得到发展。在外延GaN与金刚石衬底之间的界面处有较低的TBR_eff <10 m2K/GW。然而，虽然HEMT器件被证明，但由于大的晶格失配和热失配，HEMT器件的晶体质量和迁移率仍然与传统的蓝宝石、Si、SiC和独立GaN衬底上生长的器件相差甚远。在GaN或HEMTs器件上的多晶或纳米晶金刚石的CVD生长具有直接生长的独特性，其生长位置尽可能接近焦耳热点，这可能对热耗散非常有效。然而，化学气相沉积过程中氢对GaN的破坏和金刚石的成核减少限制了薄膜的质量，导致金刚石的热导率较差，TBR_eff 较大。此外，金刚石和GaN之间较大的热膨胀系数导致金刚石上GaN晶片出现应力问题，导致层裂和晶片弯曲，影响器件的电性能。迄今为止，研究人员已经用不同的方法来解决上述问题。毫无疑问，与蓝宝石、Si 和 SiC 衬底上的器件相比，使用金刚石作为 AlGaN/GaN HEMT 器件的散热器散热是降低工作结温度的高效方法。虽然GaN和金刚石之间存在较大的TBR_eff，但富士通实验室已经将 HEMT 操作期间的器件温度降低了 40% 以上，而且由于金刚石的高导热性，温度可以降低 100°C 甚至更多。然而，要充分利用GaN技术进行高功率应用，降低GaN与金刚石之间的TBR_eff仍然是一个挑战。使用金刚石散热器对基于 GaN 的功率器件进行有效的热管理仍然需要新的策略和概念。

文献信息：

相关成果以“Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices ”为题发表在Functional Diamond 上。

https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1980356