李金平, 王　琨

(1.國防科工局 協(xié)作配套中心, 北京 100081;　2.中科院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

基于金剛石的GaN基微波功率器件研究進(jìn)展

李金平1, 王琨2

(1.國防科工局 協(xié)作配套中心, 北京 100081;2.中科院半導(dǎo)體研究所 半導(dǎo)體材料科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

摘要:金剛石在目前所知的天然物質(zhì)中具有最高的熱導(dǎo)率，在高頻、大功率GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)和電路的散熱方面極有應(yīng)用潛力。綜述化學(xué)氣相沉積多晶金剛石襯底的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、單晶金剛石襯底的直接外延技術(shù)和納米金剛石表面覆膜的器件工藝技術(shù)在GaN基HEMT器件中的應(yīng)用研究和發(fā)展歷程，并分析每種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:金剛石；氮化鎵；微波器件；高熱導(dǎo)率

寬禁帶氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速度高、易于形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)等優(yōu)異性能，非常適于研制高頻、大功率微波、毫米波器件和電路，是近20余年以來研制微波功率器件最理想的半導(dǎo)體材料[1-3]。隨著外延材料晶體質(zhì)量的不斷提高和器件工藝的不斷改進(jìn)，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和電路，工作頻率越來越高，輸出功率越來越大。

2006年，美國Cree公司的Wu等人[4]研制的GaN基高電子遷移率晶體管(HighElectronMobilityTransistor,HEMT)，4GHz時(shí)的輸出功率密度達(dá)到41.4W/mm。2011年，美國休斯實(shí)驗(yàn)室(HRL)研制的W波段GaN微波功率器件，95GHz時(shí)輸出功率達(dá)到1024mW[5]。2013年美國RFMD推出的一款用于L波段雷達(dá)的GaN基功率放大器，脈沖功率達(dá)500W。 2015年，Tang等人[6]研制的柵長20nmGaN基HEMT，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率高達(dá)454GHz和444GHz。

隨著基于GaN材料的微波功率器件向更小尺寸、更大輸出功率和更高頻率的方向發(fā)展，“熱”的問題越來越突出，逐漸成為制約這種器件向更高性能提升的最重要問題之一[7-10]。采用高熱導(dǎo)率金剛石作為高頻、大功率GaN基器件的襯底或熱沉，可以降低GaN基大功率器件的自加熱效應(yīng)，并有望解決隨總功率增加、頻率提高出現(xiàn)的功率密度迅速下降的問題，因此，成為近幾年的一個(gè)國際研究熱點(diǎn)。

1金剛石在GaN基HEMT中的應(yīng)用潛力

金剛石不僅具有“寶石之王”的美稱，而且還具有禁帶寬度大、硬度和熱導(dǎo)率極高、電子飽和漂移速度高、耐高溫、抗腐蝕、抗輻照等優(yōu)異性能，在高壓和高效功率電子、高頻和大功率微電子、深紫外光電子等領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用前景[11-12],并且，金剛石具有目前所知的天然物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率(2200W/m·K)，比碳化硅(SiC)大4倍, 比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是銅和銀的4～5倍，所以,目前的一個(gè)重要研究方向是將金剛石作為大功率GaN基微波器件的襯底或?qū)⑵鋺?yīng)用于其他散熱通道，有望解決GaN基微波器件隨總功率增加、頻率提高出現(xiàn)的功率密度迅速下降、效率降低和器件失效問題，實(shí)現(xiàn)大功率輸出時(shí)的高功率密度和高工作頻率應(yīng)用。另外，不摻雜的金剛石亦具有很高的電阻，這也非常有利于提高GaN功率單片微波集成電路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,MMIC)的器件隔離度[8]。

早在2001年，德國的Seelmann-Eggebert等人[13]就從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探討了化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition,CVD)金剛石熱擴(kuò)散膜在GaN基HEMT中的應(yīng)用潛力。2007年，F(xiàn)rancis等[8]對(duì)Si、藍(lán)寶石、SiC和金剛石等幾種GaN基HEMT的常用襯底進(jìn)行了對(duì)比研究，研究結(jié)果表明，即使是與熱導(dǎo)率較高的SiC襯底相比，金剛石襯底GaN基HEMT的優(yōu)勢(shì)也非常明顯，所研制的金剛石襯底GaN基HEMT，熱阻降低58%，輸出功率密度提高3倍。2012年，Hirama等[14]對(duì)常用的使用SiC為襯底的HEMT結(jié)構(gòu)與使用金剛石為襯底的HEMT結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行了測(cè)量，在柵寬630μm，輸出功率2W的條件下，器件溫度最高處分別為36℃與46℃，與室溫相比分別上升了13℃和23℃， 如圖1所示。由此計(jì)算得使用金剛石襯底的HEMT熱阻值為4.1K·mm·W-1，是目前所報(bào)道的HEMT器件中的最低值。相比之下，相同結(jié)構(gòu)使用SiC襯底的HEMT器件的熱阻為7.2K·mm·W-1，約是使用金剛石襯底的器件熱阻的2倍。2013年，美國Group4的研究人員對(duì)金剛石襯底GaN基HEMT器件的可靠性進(jìn)行了研究[15]，器件在溝道溫度200℃下175 000h的試驗(yàn)過程中，電流變化最大不超過10%，顯示了金剛石襯底GaN基HEMT在長期可靠性方面的優(yōu)勢(shì)。

圖1　AlGaN/GaN基HEMT工作溫度分布

歐盟于2008年啟動(dòng)MORGaN項(xiàng)目(2008-11-01—2011-10-31)，首先將高熱導(dǎo)率金剛石引入了GaN基HEMT器件和電路的研制中，研究單晶金剛石襯底[16]、納米金剛石表面覆膜[17]等技術(shù)對(duì)GaN基HEMT器件性能的影響。圖2給出了他們的一個(gè)早期研究結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)，在器件研制過程中引入納米金剛石表面覆膜，可以將襯底對(duì)器件的影響大大降低，提高器件的散熱能力。

圖2　歐盟MORGaN計(jì)劃研究結(jié)果

隨后，在2011年，美國國防先期研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)了“近結(jié)熱傳輸”(NJTT)項(xiàng)目(2011—2015)，支持NGAS、BAE、Raytheon、TriQuint和RFMD5個(gè)團(tuán)隊(duì)開展金剛石用于GaN基HEMT以解決器件散熱問題的研究[8,10]。這些團(tuán)隊(duì)于2013年4月30日演示了所研制的基于金剛石的GaN基HEMT，該晶體管顯示出比商用器件低得多的結(jié)溫，大幅改善了晶體管的熱特性，并且使射頻系統(tǒng)的性能得到提升。在保持相同輸出功率的情況下，新型放大器比目前最先進(jìn)的氮化鎵放大器尺寸減小3倍，從而使得射頻系統(tǒng)的尺寸更小、重量更輕、功耗更低；在保持相同尺寸的情況下，該新型功率放大器可增大輸出功率3倍，使得通信系統(tǒng)的信號(hào)更強(qiáng)、雷達(dá)裝備的探測(cè)距離更遠(yuǎn)。

2基于多晶金剛石襯底的GaN基HEMT

將高熱導(dǎo)率的金剛石應(yīng)用于高頻、大功率GaN基HEMT，以解決器件和電路的散熱問題的研究中，研究得最早、工藝最成熟的技術(shù)是如圖3所示的基于多晶金剛石襯底的技術(shù)[9-10,18-19]。這種技術(shù)先用傳統(tǒng)方法在Si、SiC等襯底上生長得到AlGaN/GaN外延材料，然后將外延材料的上表面粘接到一個(gè)合適的載體上，接著去除原襯底，將外延材料的下表面與CVD多晶金剛石襯底進(jìn)行原子級(jí)結(jié)合，接著去除載體，得到基于金剛石襯底的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，最后基于此材料進(jìn)行器件和電路的研制。這種技術(shù)可以解決在金剛石襯底上直接外延AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料難以成核的問題，而且也不受單晶金剛石襯底尺寸小等問題的影響，是目前金剛石用于GaN基HEMT的主流技術(shù)。美國的幾個(gè)團(tuán)隊(duì)，利用Group4的CVD多晶金剛石技術(shù)，在如前所述的NJTT項(xiàng)目的支持下，在這個(gè)領(lǐng)域開展了非常深入的研究，成果顯著[9-10]。

圖3　基于襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)的金剛石GaN基HEMT過程

2006年，美國Group4實(shí)驗(yàn)室、SensorsDirectorate和Emcore公司合作，首次報(bào)道了基于2英寸金剛石襯底的AlGaN/GaNHEMT器件[20]，其柵長200nm，跨導(dǎo)70mS/mm，最大電流306mA/mm，電流增益截止頻率8GHz，最高振蕩頻率11.4GHz。2007年，Cornell大學(xué)的Felbinger等[21]采用Group4的襯底研制出AlGaN/GaNHEMT器件，最大電流密度為1 072mA/mm，最大輸出功率密度為1.92W/mm，功率增益效率44%，稍遜于SiC襯底器件。2010年，Group4實(shí)驗(yàn)室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AirForceResearchLaboratory)制作出工作在X波段的AlGaN/GaNHEMT器件[9]，柵寬150μm，柵長250nm，平均電流498.4mA/mm，平均跨導(dǎo)229.3mS/mm，平均擊穿電壓47.9V，平均電流增益截止頻率達(dá)到47.9GHz，平均最大振蕩頻率為83.9GHz，功率密度為2.08W/mm，功率附加效率44.1%。2013年，TriQuint公司的Dumka等人[22]，采用此技術(shù)研制的器件，10GHz時(shí)輸出功率密度達(dá)到7.9W/mm，功率附加效率大于46%。該器件的性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4　Dumka等的金剛石襯底GaN基HEMT性能

基于CVD多晶金剛石，采用襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)實(shí)現(xiàn)金剛石襯底GaN基HEMT，不僅摒棄了單晶金剛石材料生長難度大、尺寸小、成本高等問題，而且可以充分利用Si、SiC、藍(lán)寶石等襯底上AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長的成熟技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量外延材料和器件，是目前金剛石和GaN基HEMT相結(jié)合的主流技術(shù)。但如何實(shí)現(xiàn)CVD金剛石和AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的原子級(jí)結(jié)合仍是目前的難點(diǎn)，迄今也只有美國的少數(shù)幾個(gè)機(jī)構(gòu)掌握了相對(duì)成熟的技術(shù)。

3單晶金剛石襯底直接外延GaN基HEMT

在單晶金剛石襯底上直接外延GaN及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，是隨著單晶金剛石材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展、單晶的尺寸不斷增大而發(fā)展起來的。在此領(lǐng)域的研究中，具有代表性的有歐盟MORGaN項(xiàng)目支持下發(fā)展起來的瑞士EPFL、德國的Element6團(tuán)隊(duì)[16,23]和日本NTT公司的團(tuán)隊(duì)[24-25]。

2009年，瑞士EPFL的Dussaigne等人[26]在(111)單晶金剛石襯底上采用MBE技術(shù)外延生長得到了GaN材料，他們借鑒Si基GaN材料的生長條件，所研制的GaN外延膜表面粗糙度1.3nm(2μm×2μm)，晶體質(zhì)量較好。在金剛石/GaN生長的基礎(chǔ)上，2010年他們又生長出AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料[23]，2μm×2μm范圍內(nèi)表面粗糙度為0.6nm，室溫二維電子氣遷移率750cm2/Vs，面密度1.4×1013cm-2。2010年，德國Ulm大學(xué)的Alomari等研究者采用MBE技術(shù)[16]，首次直接在單晶3mm×3mm金剛石(111)襯底上外延得到AlGaN/GaNHEMT材料，異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料室溫二維電子氣遷移率為731cm2/Vs，面密度為1.3×1013cm-2，基于此材料研制的柵長0.2μm的HEMT器件，電流密度為0.73A/mm，跨導(dǎo)137.5mS/mm，電流增益截止頻率為21GHz，最高振蕩頻率為42GHz。該GaN基HEMT結(jié)構(gòu)及器件的小信號(hào)特性如圖5所示。

圖5　Alomari等的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)及小信號(hào)特性

2011年，日本NTT公司的Hirama等人[24]同樣在單晶金剛石襯底上研制出GaN基HEMT器件，他們采用金屬有機(jī)物氣相外延(MetalOrganicVaporPhaseEpitaxy,MOVPE)方法外延得到AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，室溫二維電子氣遷移率和面密度分別為730cm2/Vs、1.0×1013cm-2?；诖瞬牧涎兄频腍EMT功率器件，最大輸出電流密度220mA/mm，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為3GHz和7GHz。2012年，他們獲得了具有功率輸出的GaN基HEMT[25]，1GHz時(shí)的輸出功率密度為2.13W/mm，增益為28dB,功率附加效率為46%，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為25GHz和18GHz。該器件的頻率和功率特性曲線如圖6所示。

圖6　Hirama等的GaN基HEMT的頻率和功率特性

雖然有研究者在單晶金剛石襯底上實(shí)現(xiàn)了AlGaN/GaNHEMT材料的異質(zhì)外延和器件的制備，但這方面的難度仍然很大。首先是金剛石屬于立方相結(jié)構(gòu)，而GaN基材料是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，這種晶體結(jié)構(gòu)的差異使得在金剛石上直接進(jìn)行AlGaN/GaNHEMT材料的外延難度很大。另外一個(gè)難點(diǎn)是GaN和金剛石的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差別較大，也給直接進(jìn)行GaN基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料生長帶來了困難。

4納米金剛石表面覆膜GaN基HEMT

納米金剛石(NanocrystallineDiamond,NCD)表面覆膜技術(shù)也是采用金剛石促進(jìn)GaN基HEMT熱擴(kuò)散的一種主流技術(shù)。Wang等[17]通過理論模擬發(fā)現(xiàn)，在GaN基HEMT表面沉積幾微米的金剛石納米薄膜，可以將器件的峰值溝道溫度(channeltemperature)大大降低。而且，納米晶金剛石的沉積工藝，與傳統(tǒng)GaN基HEMT工藝中的氮化硅等鈍化膜的沉積工藝相似，外延片的尺寸也不受限制，所以在GaN基HEMT研制中潛力也很大。Wang等引入NCD的GaN基HEMT結(jié)構(gòu)及散熱通道與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)[1]的對(duì)比情況如圖7所示。

圖7　兩種GaN基HEMT結(jié)構(gòu)及散熱通道對(duì)比

早在2001年，Seelmann-Eggebert等人[13]就研究了金剛石表面薄膜在GaN基HEMT中的應(yīng)用潛力。2011年，Alomari等人[27]采用NCD技術(shù)研制的InAlN/GaN基HEMT，電流增益截止頻率和最高振蕩頻率分別為4.2GHz和5GHz。

2014年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Meyer等人[28]研究了NCD帽層技術(shù)對(duì)GaN基HEMT性能的影響，并首次報(bào)道了NCD帽層GaN基HEMT的大信號(hào)功率特性，4GHz時(shí)該器件的輸出功率密度為5.8W/mm，增益10.1dB，功率附加效率為32.6%，并由此表明了NCD帽層技術(shù)對(duì)GaN基HEMT的熱管理的應(yīng)用潛力(圖8)。

2016年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室的Tadjer等人[29]研究了NCD帽層對(duì)AlGaN/GaNHEMT的影響，研究發(fā)現(xiàn)納米晶體金剛石對(duì)器件的鈍化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的氮化硅鈍化。

圖8 Meyer等研制的GaN基HEMT的結(jié)構(gòu)和功率測(cè)試結(jié)果

同采用多晶金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)相似，表面金剛石納米覆膜技術(shù)也不受單晶金剛石襯底的諸多問題的影響，在GaN基HEMT研制中也具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)和潛力。但在制做HEMT器件的過程中，沉積金剛石納米薄膜，會(huì)受到器件工藝條件的限制，該技術(shù)應(yīng)用起來目前仍有一定難度。

5結(jié)語

將金剛石引入高頻、大功率GaN基微波功率器件和電路，解決器件的散熱問題，是近幾年的國際研究熱點(diǎn)。基于多晶金剛石的襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)、基于單晶金剛石的材料直接外延技術(shù)和基于納米金剛石薄膜的器件表面覆膜技術(shù)，在解決高頻、大功率GaN基HEMT的散熱方面都具有非常重要的應(yīng)用潛力。

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[責(zé)任編輯:瑞金]

Researchprogressofdiamond-basedGaNmicrowavepowerelectronicdevices

LIJinping1,WANGKun2

(1.TheCenterofCoordinationandSupport,SASTIND,Beijing100081,China;2.KeyLabofSemiconductorMaterialsScience,InstituteofSemiconductors,CAS,Beijing100083,China)

Abstract:Diamond has the highest thermal conductivity in the present natural materials, which has great potential to solve the heat dissipation problems for the high frequency, high power GaN based HEMT devices and circuits. The research developments of the three technologies of integrating diamond into GaN based HEMTs are reviewed, which are about chemical vapor deposition (CVD) diamond substrate transfer technique, AlGaN/GaN heterostructures directly grown on single-crystal diamond substrate, and the technology of nanocrystallline diamond layers on the top of AlGaN/GaN HEMTs. The advantages and disadvantages of these technologies are also analyzed.

Keywords:diamond, GaN, microwave devices, high thermal conductivity

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.03.003

收稿日期：2016-04-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(61334002)

作者簡介：李金平(1965-)，女，高工，從事科研項(xiàng)目咨詢?cè)u(píng)估及管理和信息材料及器件研究。E-mail: lijinpingccsc@126.com 王琨(1987-),女，博士，助理研究員,從事寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究。E-mail: wklq1987@163.com

中圖分類號(hào)：TN385

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6533(2016)03-0025-07