主要位於美國海軍研究實驗室（NRL）的一組研究人員聲稱記錄了氮化鋁鎵（AlGaN）阻擋高電子遷移率晶體管（HEMT）的直流功率密度[Marko J. Tadjer等人，IEEE Electron Device Letters，在線發表於2019年4月11日]。 團隊中的其他研究人員來自Southern Methodist University，TMX Scientific，加州大學洛杉磯分校（UCLA）和美國的Akash Systems Inc。
通過用金剛石替換其上生長III族氮化物器件層的硅襯底來實現高功率，以允許增強的熱管理。
該團隊的目標是商用和軍用電子產品所需的高頻和高功率密度。 由於其非常高的導熱性，Diamond先前已用於管理此類應用中產生的高溫。 一種技術是晶圓鍵合，但一種有吸引力的替代方案是直接在器件層的背面上生長金剛石。
在以前的工作基礎上，NRL領導的團隊倒轉了GaN / Si襯底並去除了硅襯底。 蝕刻暴露的N極III-N成核層留下約700nm的GaN緩衝層。 在Element Six Technologies（E6，De Beers Group的一部分）的厚多晶金剛石層的化學氣相沉積（CVD）之前施加30nm氮化硅（SiN）阻擋層。
E6專注於人造金剛石和碳化鎢的生長過程。 除熱管理外，這些“超級材料”的應用還包括石油和天然氣開採，汽車和航空零件，採礦和建築，消費電子，光學和機械系統磨損等領域。 該公司聲稱擁有1900名員工，在英國，愛爾蘭，德國，南非和美國擁有生產設施。 E6追溯到1946年。
NRL器件結構採用20nm Al 0.2 Ga 0.8 N阻擋層，檯面等離子體蝕刻，鈦/鋁/鎳/金歐姆源極 - 漏極接觸沉積和退火，鎳/金肖特基柵極沉積，鈦/金接觸墊覆蓋層完成和等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）氮化硅鈍化。 在用金剛石替換硅襯底之前和之後進行器件製造。 優化氮化硅鈍化以避免在脈衝操作下的電流崩塌。
研究人員報告說：“室溫霍爾測量和直流電流 - 電壓特性表明，基板側工藝不會顯著影響遷移率和薄板載流子密度，從而影響HEMT的導通電阻。 此外，僅觀察到對閾值電壓和跨導的最小影響。“
圖1：在365nm照射下測量的背面金剛石沉積工藝之前和之後的AlGaN / GaN HEMT的穩態熱反射圖作為DC輸出功率的函數：（a）硅基樣品GaNSi-2; （b）以鑽石為基礎的充足的GaNDi-2; （c）柵極 - 漏極存取區域的平均溫度作為AlGaN / GaN HEMT範圍的DC功率（I DS xV DS ）的函數。
熱反射成像（TRI）顯示，在硅上HEMT的15W / mm功率密度直流（DC）操作下，接觸超過150°C附近的溫度增加（圖1）。 相比之下，金剛石上的器件在功率密度為24.2W / mm時沒有顯示出明顯的溫度升高。 高於24.2W / mm，溫度確實增加，主要是由於柵極漏電流。 即便如此，在接入/接觸區域的溫度不超過176℃，功率密度為56W / mm。 在漏極邊緣的柵極區域看到最高溫度為205℃。
基於金剛石的GaN HEMT（GaNDi-2）實現了低至2.95°C-mm / W的熱阻。 早期版本的鑽石替代（GanDi-1）工藝的器件具有3.91°C-mm / W的更高熱阻。 較高的值歸因於與金剛石基底的界面處的缺陷。 透射電子顯微鏡（TEM）顯示GaNDi-1樣品的30nm氮化硅層和GaN界面處的納米尺寸空隙（圖2）。 相比之下，GaNDi-2樣品實現了“尖銳的GaN-金剛石界面和更低的熱阻”。 原始硅襯底（GaNSi-1和2）上的GaN HEMT的熱阻顯著更高。
圖2：（a）樣品GaNDi-1的GaN / SiN /金剛石界面的高分辨率TEM圖像，顯示SiN中的空隙，（b）樣品GaNDi-1，顯示由H-等離子體蝕刻引起的GaN的N-極性側的空隙在金剛石CVD期間，（c）用於樣品GaNDi-2的非晶SiN和晶體GaN之間的尖銳，無空隙界面，和（d）用於樣品GaNDi-2的SiN /多晶金剛石襯底界面（由紅色虛線描繪）。
研究人員建議，減薄或消除氮化硅阻擋層可以將熱阻降低多達48％。 但是，這樣的過程還需要消除界面中的空隙。
閱讀更多 心語思維 的文章
