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氮化镓|日本防务省资助富士通公司研究金刚石和碳化硅衬底散热技术,将显着提高GaN HEMT性能

大国重器2018-09-16 14:54:28

12月6日至9日美国加利福尼亚州的IEEE半导体接口专家会议(SISC2017)上,日本富士通公司及其子公司富士通实验室公司(Fujitsu Laboratories Ltd)介绍了据称是第一个室温下实现单晶金刚石和碳化硅(SiC)衬底焊接,关键是这两者都是硬质材料,但具有不同的热膨胀系数。

 

使用这种技术散热可以高效率地冷却高功率氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT),从而使功率放大器在高功率水平下稳定工作。


传统GaN HEMT——SiC衬底散热

近年来,高频GaN-HEMT功率放大器已被广泛用于雷达和无线通信等远程无线电领域,预计还将用于天气雷达观测局部暴雨,或者即将出现的5G毫米波段移动通信协议。对于这些使用微波到毫米波频段雷达或无线通信系统,通过提高用于传输的GaN-HEMT功率放大器的输出功率,无线电波能够传播的距离将增大,可扩展雷达观测范围,实现更远和更高容量的通信。

 

1 传统GaN HEMT功率放大器


图1中,GaN HEMT功率放大器的一些输入功率会转化成热量,然后分散到SiC沉底。由于提高雷达和无线通信的射程和功率也增加了器件产生的热量,这对其性能和可靠性产生不利影响,因此需要将器件热量有效地传输到冷却结构(散热片)。


金刚石-SiC散热

尽管SiC衬底具有相对较高的导热率,但是对于具有越来越高的功率输出的器件而言,需要具有更好的导热率的材料以有效地将器件热量运送到冷却结构。 单晶金刚石具有非常好的导热性-几乎是SiC衬底的5倍 - 被称为可以有效散热的材料。

 

金刚石-SiC键合方法

为了将单晶金刚石键合到作为冷却材料的器件上,正常的生产过程使用氩(Ar)束去除杂质,但这会在表面形成低密度的受损层,这会削弱单晶金刚石可能形成的键合。此外,使用诸如氮化硅(SiN)的绝缘膜用于键合,由于SiN存在热阻会削弱导热性。

 

为了防止Ar束在金刚石表面形成损伤层,富士通开发了一种技术,在暴露于Ar束之前用极薄的金属膜保护表面(见图2)。 为了确保表面是平面的(为了在室温下良好的键合),金属膜的厚度需限制在10nm或更薄。

2 与金刚石键合的GaN HEMT功率放大器结构


这种技术被证实可以防止Ar束暴露后在金刚石表面形成损伤层(图3),从而提高了键合强度,从而使得单晶金刚石在室温下与SiC衬底键合。

3  Ar束暴露后的金刚石截面


热阻测试结果

在室温下测量了粘样品的热阻,发现SiC /金刚石界面的热阻极低,为6.7×10-8m2K/W。使用这一测量参数进行的仿真表明,该技术将显着降低200W级GaN-HEMT器件的热阻,降至现有器件的61%(相当于表面温度降低80°C),见图4。

4 200WGaN HEMT功率放大器仿真对比


因此这种技术可以用于生产具有更高输出功率发射器的GaN-HEMT功率放大器。 当用于天气雷达等系统时,用于发射器的GaN-HEMT功率放大器可望将雷达的可观测范围提高1.5倍,这样可以更快地检测到能够产生突然暴雨的积雨云,从而为灾难做好准备。


富士通计划

富士通计划利用该技术评估GaN-HEMT的热阻和输出性能,并计划在2020年将其应用于高输出、高频功率放大器,应用于气象雷达和5G无线通信系统。


日本防务省提供研究资助

该研究获得了日本防务省采购、技术与后勤局(ALTA)设置的“安全创新科技计划”(the Innovative Science and Technology Initiative for Security)。


这项研究部分得到了日本国防部收购,技术和后勤局(ALTA)设立的创新科技安全倡议的支持。