用金刚石吸出热量

由于面向该技术的供应链不断强化，因此利用金刚石薄膜将热量从 GaN 晶体管中吸出的做法将变得越来越普遍。

作者：Richard Stevenson

金刚石拥有许多优良的特性。它以辉煌耀眼的光泽闻名于世，这使其成为制造珠宝的非常不错的选择；它具有很高的硬度，因而可在用于切割、钻孔和锯切的工具中使用，也可在唱机悬臂的顶端上使用（以跟踪黑胶唱片中的调制）。

虽然知道的人较少、但是同样很优异的特点是金刚石的导热性。由于具有强共价键和低声子散射，因此其导热系数约为 2000 W m^-1 K^-1，该数值是铜的 5倍。

这种高得让人难以置信的导热性吸引了电子业界的浓厚兴趣，他们一直在研究金刚石从 GaN HEMT 提取热量的能力。在这个方向上的努力可以回溯到 2003 年，首次成功的尝试是制作了金刚石基 GaN 结构。从那时起，里程碑式的事件包括 2006 年首个金刚石基 GaN 晶体管的问世，以及美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 于 2011 年启动的近结热传输 (NJTT) 项目，该项目对这项技术的发展起到了助推作用。

近期又取得了进一步的进展，为支持金刚石基 GaN 技术的商业化奠定了基础。目前，多家公司在这个刚刚起步的新兴行业中起着重要的作用，其中不少公司都参加了2019年 1 月底在英国布里斯托尔举行的为期一天的“金刚石计划启动日” (Diamond D-day) 会议。在此次由布里斯托尔大学 Martin Kuball 组织的聚会上，与会者包括金刚石沉积工具供应商、金刚石基 GaN 外延片和晶圆代工厂服务提供商、以及器件制造商。

在太空中

金刚石基 GaN HEMT 的先驱之一是 Akash Systems。这家位于美国加州旧金山的公司致力于开发小型卫星、卫星发射机、以及为前者提供运行支持的 RF 功率放大器。

该公司负责材料的副总裁 Daniel Francis 代表 Akash 发表了讲话，他以“金刚石是卫星的最佳拍档”作为开场白。他认为，增添一个金刚石基底可使功率密度增加三倍，并大幅降低工作温度。他援引了美国空军研究实验室所做的工作，指出：与硅基 GaN 和 SiC 基 GaN 器件相比，增加一个金刚石层可使通道温度下降 40% 至 50%。

这种降幅具有重要的意义。需注意的是，太阳光可以将卫星温度推高至180 °C，而辐射是散热的唯一选择，因此尽可能多地从器件中提取出热量是至关重要的。Akash 采用 4 英寸晶圆来生产其金刚石基 GaN 器件。Francis 说：“如果不是完整的晶圆片，那就不是生产。”

他概要描述了三种用于形成金刚石基 GaN 结构的可能选项。一种是直接在金刚石上生长 GaN 层，但是这需要使用中间层，而金刚石衬底相对较小的尺寸无法为其提供安置空间。另一种选项是键合，但是需要使用“粘接剂”将 GaN 与金刚石粘合起来。非晶态 SiC 是一种受欢迎的选择，但是它的导热系数仅为 1 W m^-1 K^-1，因而有损于金刚石层所具备的优势。

第三种方法（Akash 热衷采用）是在基于 GaN 的外延结构上生长金刚石。这家美国西海岸公司的工程师们从具有 SiN 过渡层的硅基 GaN 外延片入手，该过渡层的厚度 < 35nm，导热系数约 10 W m^-1 K^-1，并提供了一个良好的介质分界面。器件的制造包括将外延层与硅衬底分离。

在改善生产方面所做的努力实现了一致性的提升，这与去除 AlGaN 缓冲层、更好地控制粘附层的厚度（现被控制在 5 nm 以内）、以及将晶圆翘曲度减低至 < 20 μm 是相关联的。

工程师们期望的金刚石层目标厚度是 125 μm。为了确保这一目标的实现，他们沉积了更多的材料，并随后运用一道抛光工序，以将金刚石减薄至所需的厚度。

Francis 指出，当金刚石的生长开始时，会产生具有低导热系数的纳米晶体。但是，随着生长的继续，颗粒变大，从而提高了导热系数。

在加工晶圆上进行的电容-电压测量显示一个“低且平坦的电容”。这归因于低的界面充电。相比于硅基 GaN，出现的情况与 SiC 基 GaN 的类似程度要高得多。

对最新多指型器件 (multi-finger devices) 所做的研究结果显示，功率附加效率在 60% 左右。据 Francis 称，这个数值可与工作频率为 10 GHz 的标准器件相媲美。

金刚石基 GaN 外延片

倘若金刚石基 GaN 器件的开发人员更喜欢使用这种材料的外延片开始其制造工作，那么他们就可以选择从 RFHIC 购买 4 英寸晶圆材料。

在 Diamond D-Day 大会上，RFHIC（美国）公司董事兼总经理 Won Sang Lee在他演讲一开始就表示，SiC 基 GaN HEMT 外延片市场的“走势强劲”。不过，他认为金刚石基 GaN 将是“下一步”。

RFHIC 希望成为金刚石基 GaN 半导体行业的先驱。它做好了充足的准备，拥有 63 项与该技术有关的专利，以及据说覆盖面非常广泛（仅商用卫星领域除外）的独家专有知识产权。该公司已经确定了金刚石基 GaN 的多个潜在市场，包括自动驾驶汽车、军用雷达、以及工业、医疗和科学领域。

Lee 比较了被他视为用于 RF、高功率器件的三大主要技术，即：硅 LDMOS、SiC 基 GaN、和金刚石基 GaN。他认为，只有后者能够提供高达 100 GHz 的工作频率，从而使其在面向未来的候选方案中一马当先。

据他预测，金刚石基 GaN 的成功将随着其在 5G 基站中的部署应用而拉开序幕。这种材料组合的优点并不限于高功率密度，还包括：更高的线性度（源于优越的载流子传输）；和更好的可靠性（得益于芯片的工作温度较低）。

RHFIC 早在 2015 年就启动了其金刚石基 GaN 技术的开发，如今能在韩国大批量生产金刚石基 GaN 材料，并在其位于美国的研发机构进行小批量生产。该公司的计划是在今年第二季度开始向其客户运送工程样品。

今后的目标包括将金刚石基 GaN 的生产量增加至每个月 100 颗外延片，优化器件层以改善性能，并提高良率（目前仅为 40%）。

器件晶圆代工厂

晶圆代工服务提供商 GCS是一家有能力将 RHFIC 的金刚石基 GaN 外延片加工成器件的公司。在布里斯托尔，该公司的一位发言人 Daniel Hou 详细阐述了采用这种方法存在的一些挑战和可获得的回报。

一个不利之处是，在自动化晶圆厂里，有些工具或许无法处理这些外延片。这可能是由材料中的拉伸应变引起的，造成高达几毫米的晶圆翘曲度。这样的扭曲会严重影响光学步进曝光机 (i-line steppers) 的印刷工艺。Hou 解释说，针对这种问题的解决方案是选择一种具有适当热膨胀系数的载体。通过组合使用多孔 SiC 载体、干法和湿法蚀刻步骤、热释放胶带粘结和高温聚合物粘结，可将晶圆翘曲度减小至仅为 20 μm。

Hou 指出，另一个问题是离子注入隔离步骤会导致“巨大的”漏电流。漏电流飚升了 6 个数量级。

GCS 的工程师们借助用于表面处理的附加步骤解决了这种漏电流的激增问题。这形成了与硅基 GaN 相似的 DC 特性：最大电流为 1 A/mm，峰值跨导为 250 mS/mm，击穿电压超过 100 V，且开关比高于 10⁶。

对这些器件进行的 RF 测量结果是令人鼓舞的。当给 0.65 μm HEMT 施加 10% 的占空比，并把电压从 50 V 提升至 100 V 时，将在 2 GHz 频率条件下使功率密度从 15.5 W/mm 增加到 22.5 W/mm。

另外，GCS 还将工作重点定位在开发一种穿越衬底的过孔工艺。该工艺包含：从正面激光打孔；镀金以部分地填充过孔；溅射一种籽金属；然后在正面和背面上镀金。

采用这种工艺制造的多指型器件能够产生一个 11.2 W 的输出和 15～19 dB 的增益。Hou 将这些结果描述为“相当好”，并表示，它们提供了过孔工艺“可行”的证据。

全金刚石器件

凭借 5.45 eV 的带隙（比氧化镓的带隙更高），金刚石也可以被看作是一种用于制造高功率器件的有前途的材料。

欧洲航天局的 Andrew Barnes 在一次演讲中简要地论述了采用金刚石器件所获得的一些结果。他提到了具有 20 GHz 最大振荡频率和约 7.7 GHz 截止频率的晶体管。这实现了高达 22 dB 的增益，被 Barnes 描述为一个“相当令人鼓舞”的结果。

不过，他提醒聆听演讲的观众：金刚石是存在自身缺陷的，包括价格十分昂贵，而且非常难以进行掺杂等。

设法回避使用金刚石器件存在另一条更有力的理由，是由卡迪夫大学 (Cardiff University) 的 Oliver Williams 提出的，他说：“我的博士学位就是关于金刚石器件的，研读过程并不顺利。” 在他看来，n 型掺杂不起作用，而且同质衬底的直径被“卡”在半英寸，尽管早在 20 年前就有预言说直径 1 英寸材料的问世“指日可待”。

因此，根据 Diamond D-day 会议上的演讲和展示，最好是将金刚石在 行业中的作用限制在从 GaN HEMT 中吸出热量上面。当被用来完成这项任务时，它能够做得非常好。而且，随着供应链的不断增强，金刚石基 GaN 器件即将迎来在太空中开始得到广泛应用的契机，并且越来越多地部署在距离普通家庭近得多的应用中。

图注：随着小型卫星太空竞赛的打响，Akash Systems 准备将金刚石基 GaN 系统送入轨道。