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金刚石GaN有着灿烂的未来?

金刚石GaN 
  由于GaN具有高很的电子迁移率和功率密度,是目前射频电子器件的首选技术,从达和卫星系统到信,以及电子战和功率转换系统上都有着广泛的应用。
  然而,对于更高功率器件的研究进程却一直滞后,因为工程师目前还正在努力设计一种器件,可以通过它本身时热的硅成SC衬底来充分放发热量。
  所以作为一种替代材料,全球的研究者们都已转向研究金刚石上GaN。正如 研究者Kuball指出的那样:“如果你强力推行SiC上GaN器件,它们会因过度升温而过早地失效。所以研究者们决定使用金刚石的“平凡”属性,即它的高热导率,并将它与这些器件相结合。
 
工艺开发
  Element Six公司已经将金刚石与GaN相结合,并已经取得满意的结果,使得其工艺开发也在开始加速进行。
  由Element Six公司和其他机构所首创的现行工艺是:从硅上GaN晶圆中去除硅衬底层,然后采用化学气相沉积(CVD)方法淀积一个100微米厚的金刚石薄层来替代原来的硅层。
  在通常情况下,当原来的硅层从AlGaN/GaN外延层下方被去除后,在暴露的表面上先沉积一层薄的介质层,然后再在这一介质层表面进行化学气相沉积金刚石层。
  实验获得了很好的结果。在2013年, TriQuint公司声称已在金刚石上GaN的研究上取得了突破,并显示了这种晶体管功率密度比相应的SiC上GaN器件要高出三倍。
  与此同时,和SiC上GaN器件相比, Raytheon公司应用 Element Six公司的金刚石上GaN晶圆,开发出的晶体管其射频面功率密度提高了三倍,并将热阻降低了近三倍。
  因此,随着该技术在商业成功上登顶,对于它的研究在继续快速地进行。正如Kuball所指出的那样:“从物理学角度来看,在电介质和金刚石层中产生了大量的热传导”。
  “当然,工程量依旧很浩大”,他补充说道:“例如,你如何调整金刚石的生长使得器件能正常运行?级如何将金刚石微结构和电介质间‘不和谐’部分的影响达到最小化”。
  目前, Kuball和他的同事正在与众多公司和机构合作,例如与Element Six公司和美国海军研究实验室之间的合作就是关于如何来形成晶核并生长金刚石层以获得最佳的器件性能。
  他的团队也正在探索各种方法以进一步减少GaN和金刚石层之间的热阻,例如通过改变电介质层的厚度等。
 
仪器成果
  在金刚石上GaN的研究之外,早在2005年, Kuball就已经开发出可测量GaN晶体管沟道温度的探测技术。
  对于为下一代毫米波通信所研发的GaN基HFET来说,发现它在实际应用中的可靠性较低,其关键问题是由于焦耳热产生温升的自加热效应所致。当时可用的热成像和光谱方法要么缺乏必要的空间分辨率来测量器件的峰值温度,要么对于大面积表面上热变化的跟踪过于滞后。
  考虑到这一点, Kuball与美国Quantum Focus公司和英国 Renishaw公司合作,将红外摄像机集成到拉曼显微镜中,用来观察 AlGaN/GaN HFET器件微米尺度的局部升温情况,获得了令人惊异的结果。
  使用这种拉曼光谱-红外热成像组合系统,研究人员可以描绘出器件的红外温度分布图。与此同时用拉曼光谱进行温度探测的线扫描,来精确地定位热点、位错等缺陷,其精度高于0.5μm。
  根据Kuball的说法,当这个仪器已被证明已成为能保证研究成功的重要因索时,他和同事们还在努力建立一个适用于未来金刚石上GaN器件研究的初始探测系统。
  例如,反射率测量组件最近也被加入到这种探测系统中,以进一步评估晶圆上GaN和金刚石层间的界面热阻。
  “这个可用于对晶圆的筛选”,Kuball说道:“但是,除了中心部位具有0.5μm分辨率以外,我们也正在努力改善其他部位的空间分辨率。
  最终,研究人员希望能够将该仪器的分辨率提高到200nm,这样在可靠性测试中可以不需要在测定沟道温度时再进行热模拟。重要的是,这也将使研究人员能够直接对GaN层进行不均匀性研究,并设计出可靠性更高的器件。
  Kuball因为在GaN-金刚石电子学和新型热控制理念方面所做出的贡献,获得了英国皇家学会Wolfson研究成就奖( RSWRMA)。
  研究仍在继续,对于他面言,更好了解并量化从GaN到金刚石层的热传输对未来高可靠性器件的研究将是至关重要的。
  正如他所说:“如果你有了这种知识,你就能够重新设计金刚石的生长过程,而且对该器件结构的整体设计能使该材料的应用变得更具可行性。”
 
除了金刚石以外
  但是金刚石上GaN并不是他的全部工作,由于硅上GaN和SiC上GaN的研究也十分重要,例如,他的团队正在研究碳掺杂对硅上GaN高压器件的影响。
  这需要详细了解器件的电学工作原理,包括器件缓冲层中电荷的俘获和传输所起的作用,以及器件失效的物理机制
  在整个基础工作层面上,kuball团队正在与众多公司进行合作,从NXP和 Onsemi公司到 Qorvo和UMS公司。展望未来,Kuball预计每个技术平台都将在其各自的应用领域中发挥重要的作用。
  例如,他预计在不久之后,在低成本功率电子器件应用中就将能够看到硅上GaN器件的身影。
  他补充说:“碳化硅上GaN的工作非常出色,我们已经对此进行了大量的投资,而对于金刚石上GaN来说我们已经拥有了具有合理价位和合适尺寸的晶圆”。
  “这些事情总会平行地发生,但是与其他公司的合作也是非常重要的”,他说:“当你接近一个真正的好器件时,你才能明白你所面临的真正挑战是什么”。
 

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