隨著移動通信、衛(wèi)星通信、雷達等大功率應(yīng)用環(huán)境的快速發(fā)展,氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)已成為高頻、高功率及惡劣環(huán)境下的核心器件之一。但器件功率密度和工作電壓得不斷攀升,器件自熱問題日益突出,傳統(tǒng)單晶Si或SiC襯底在散熱能力方面愈發(fā)難以滿足需求。利用高熱導率金剛石構(gòu)建高效散熱襯底,被認為是解決GaN器件自熱、提升可靠性和功率性能的理想路徑。

近日,微電子所劉新宇研究員團隊與青禾晶元公司、南京電子器件研究所等單位團隊合作,基于4H-SiC/Diamond復合襯底成功實現(xiàn)了高散熱性能的GaN HEMT器件,為突破GaN器件散熱瓶頸提供了新的技術(shù)方案。

針對GaN與Diamond之間嚴重應(yīng)力和熱失配問題,團隊在常規(guī)金剛石襯底表面引入一層4H-SiC薄膜用于高溫GaN外延過程中緩解晶格失配和熱膨脹失配。該方案創(chuàng)新采用基于表面活化鍵合(SAB)的薄膜二次轉(zhuǎn)移技術(shù),將厚度約784 nm的4H-SiC薄膜鍵合轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上,可耐受超過1100℃的高溫,并在此基板上制備出GaN HEMT器件。該工藝實現(xiàn)了最高可達98%的鍵合率,轉(zhuǎn)移后4H-SiC薄膜的XRD搖擺曲線半高寬與體SiC相當,表明薄膜保持了接近本征的晶體質(zhì)量。經(jīng)過900 ℃高溫退火處理,4H-SiC/Diamond界面熱阻進一步降低至13.6 m2·K/GW,是目前國內(nèi)外已報道4H-SiC/Diamond界面熱阻中的最優(yōu)水平,該結(jié)果與退火過程中非晶中間層的消失及局部重結(jié)晶密切相關(guān)。基于紅外熱成像穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境(基板溫度70℃)測試了功耗高達32.5 W/mm條件下的器件結(jié)溫。與同批次工藝同規(guī)格SiC襯底器件相比,SiC/Diamond復合襯底上GaN HEMT器件熱阻降低了61.4%;在23.4 W/mm的工作條件下,其結(jié)溫降低40.5 ℃。上述試驗結(jié)果表明,4H-SiC/Diamond復合襯底能夠在保持工藝兼容性的同時可顯著提升器件散熱能力,在高微波功率器件應(yīng)用方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

上述研究成果以 “GaN HEMTs on 4H-SiC/Diamond Engineered Substrate with Enhanced Heat Dissipation”(doi:?10.1109/LED.2025.3635043)為題,近期發(fā)表在?IEEE Electron Device Letters。微電子所博士生雷依培為第一作者,微電子所王鑫華研究員為論文通訊作者。

論文鏈接:https://ieeexplore.ieee.org/document/11260442

圖1?基于4H-SiC /Diamond襯底的GaN HEMT制備流程

圖2 (a) SiC/Diamond界面熱阻隨退火溫度的變化;(b)?基于不同襯底(SiC?與?SiC/Diamond復合襯底)GaN HEMT?結(jié)溫隨耗散功率密度的變化。