較高復雜性和功率密度更大的現代微型電子設備日益受到熱管理技術的瓶頸制約。例如氮化鎵（GaN）可以顯著提高射頻（RF）晶體管的整體性能，使其上升到一個全新的技術基準；但在臨近最大輸出功率處，RF晶片工作運行時的信道加熱卻大大縮短了設備壽命。因此，氮化鎵設備的潛能有待于進一步挖掘提高。

       為解決上述問題，元素六公司研發了導熱性更高的襯底以幫助晶體管設備散熱：化學氣相沉積（CVD）金剛石。

       金剛石是迄今為止世界上導熱性能最好的物質材料，室溫下的導熱系數高達2000Wm-1K-1，是碳化硅導熱系數的四到五倍。作為襯底材料，金剛石可以以數百納米的尺寸沉積在GaN信道內，使晶體管設備在工作時能夠有效散熱。

       隨著金剛石技術的成熟發展，金剛石襯底GaN可以替代常用的行波管和SiC襯底GaN設備，用于軍事雷達、電子戰系統、蜂巢式基地臺、氣象衛星和通信衛星等領域。美國國防高級研究計劃局(DARPA)研究發現金剛石襯底GaN可以以更低的信道溫度傳輸功率密度，是SiC襯底GaN射頻放大器效率的三倍。

金剛石襯底GaN晶片

       金剛石襯底GaN晶片是由1.2µm厚的專屬過渡層、800nm厚的未鍍附GaN中間層、17nm厚的Al0.26Ga0.74N肖脫基勢壘和2nm厚的GaN保護層在硅表面外延堆疊而成。首先將AlGaN/GaN襯底下面的硅襯底和過渡層抽取并添加上一對附加層，然后在裸露的AlGaN/GaN上沉積出35nm厚的專屬電介質，最后在薄膜上沉積出100μm厚的CVD金剛石襯底。如圖一所示：

圖一：將GaN和臨時載體結合，蝕刻掉襯底和過渡層并沉積出35nm厚的電介質；在GaN背面沉積出100μm厚的金剛石層，最后將臨時載體抽取掉，制備出金剛石襯底的GaN。
       通過對比金剛石襯底GaN和硅襯底GaN高電子遷移率場效晶體管（HEMTs），以及金剛石襯底GaN和碳化硅襯底GaN的HEMTs來測試金剛石襯底GaN對于晶體管性能的改善。

       美國空軍研究實驗室（AFRL）對于元素六公司的GaN和金剛石沉積進行測試試驗以驗證其是否有損GaN的外延生長，是否會引起設備性能的退化。實驗對上千個金剛石襯底GaN和硅襯底GaN的HEMTs進行了測試；對晶片的表面電阻率、載流子遷移率、載流子密度、接觸電阻和緩沖期隔離電流進行了詳細試驗。此外，還對被動元件的跨導、最大DC漏電流、飽和DC漏源電流、臨界電壓、閘極漏電流和拐點電壓進行估值。工程師還求得了設備的RF數據，包括擊穿電壓、 fmax(MAG)、ft、電流電壓特性和轉移特性曲線。除了較低的表面閘極漏電流外，沒有觀察到明顯的數據差異。

       利用連續波莫里負載牽引測量對兩種設備在X頻帶頻率和不同漏電壓處的RF性能進行估值。結果發現硅襯底到金剛石襯底的改變使輸出功率多增加了1dBm-1.5 dBm，功率增加效率提高了7%。

       AFRL還對比了兩種HEMTs的電流波腹，發現硅襯底氮化鎵HEMTs要比金剛石襯底氮化鎵HEMTs對脈沖寬度更加敏感，如圖二所示。


       利用顯微拉曼熱分析可以獲得熱電阻的定量測量。金剛石襯底氮化鎵HEMT的熱電阻為8KW-1mm-1，如圖3所示；而硅襯底氮化鎵HEMT的熱電阻為21 KW-1mm-1。

CVD金剛石散熱片

       除了金剛石襯底GaN晶片外，CVD金剛石散熱片也能夠有效改善設備性能。研究者發現CVD金剛石集成包裝的金屬化對金剛石和設備之間的熱阻性有著重要影響；三層金屬化框架目前主要應用于粘合穩定性、機械穩定性和熱穩定性。常用的金剛石散熱片材料是Ti/Pt/Au，穩定性好、耐久力高。由于Ti和Pt的導熱系數相對較低，研究者又發現一種新的材料來替代，即Cr。Cr和金剛石生成一層碳，形成一層勢壘，且不需要額外添加其它金屬。熱導系數高達93.9W/mk。英國布里斯托大學的研究團隊發現Cr/Au的熱導系數要比Ti/Pt/Au高出三至四倍。

       Cr/Au的增強熱導系數為設備增加了不少優勢，為驗證這一點，研究人員將高功率GaN -SiC HEMT固定在CVD金剛石散熱片上，為保障結果的可比性，所有試樣都放置在溫度穩定平臺上，該平臺也有金剛石材料制備而成。如圖四所示，左圖為設備功率逐增時的基準溫度變化。很明顯，Cr/Au裝置的溫度要低很多，設備輸出功率為9W時溫度為10℃。


       右圖為晶體管信道上直接測得的溫度。Cr/Au裝置的熱阻系數越低，9W輸出功率時的溫度下降就超過20℃。溫度越低，設備壽命就越長；亦或以更小的尺寸和更高的功率密度來封包裝配。

作者：Bruce Bolliger
元素六公司銷售和市場部主管.