消除GaN-on-GaN器件熱障的方法

GaN-HEMT以高效率提供高射頻輸出功率而聞名。由于這些特性，這類晶體管可以顯著改善微波到毫米波無線電通信和雷達(dá)系統(tǒng)的性能。這些HEMTs可用于氣象雷達(dá)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)局地強(qiáng)降水，以及5G系統(tǒng)，提供毫米波段的通信。

對(duì)GaN-HEMT來說，另一個(gè)機(jī)會(huì)是作為傳統(tǒng)磁控管的繼承者，在微波爐中提供加熱。這種改進(jìn)將開創(chuàng)一個(gè)創(chuàng)新的、緊湊型微波加熱的時(shí)代。轉(zhuǎn)向HEMTs將通過僅用微波能量照射加熱區(qū)域來抑制浪費(fèi)的能量消耗。

大多數(shù)商用RF-GaN基hemt是在SiC襯底上制備的。使用該基礎(chǔ)，GaN的晶體質(zhì)量高于藍(lán)寶石和硅上的晶體質(zhì)量，而襯底將高導(dǎo)熱率與優(yōu)異絕緣結(jié)合在一起（見表1，用于對(duì)GaN的不同襯底進(jìn)行更詳細(xì)的比較）。

全世界都在努力將GaN-HEMT的輸出功率和效率提高到一個(gè)新的高度，因?yàn)檫@將導(dǎo)致系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。不過，這并不容易，因?yàn)镚aN-HEMTs受到電流崩潰的困擾，這大大降低了排水效率。這種疾病的主要原因是電子俘獲，發(fā)生在緩沖層和GaN與鈍化膜之間的界面，通常是SiN（見圖1）。這一問題的根本原因是由于在晶格不匹配的襯底上生長(zhǎng)而引起的緩沖層中位錯(cuò)的高密度。

在獨(dú)立GaN上生長(zhǎng)外延層是降低位錯(cuò)密度的有效途徑。該襯底的位錯(cuò)密度為 106 cm-2 或更小，使得與GaN襯底相比，GaN外延層的位錯(cuò)密度降低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

直到最近，由于GaN的高導(dǎo)電性，切換到GaN襯底還沒有那么吸引人。但最近這種情況發(fā)生了變化，現(xiàn)在鐵摻雜已經(jīng)使半絕緣GaN的生產(chǎn)成為可能。盡管基板很小，直徑只有2英寸，但它們可以大大減少電流崩潰的程度。

GaN基片的致命弱點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)低。在230 W m-1 K-1時(shí)，它幾乎是SiC的一半。這是一個(gè)顯著的弱點(diǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致設(shè)備性能和可靠性的下降。當(dāng)HEMTs用于微波加熱時(shí)，這個(gè)問題尤其嚴(yán)重，因?yàn)檫@需要設(shè)備的連續(xù)運(yùn)行，并增加熱輻射的程度。

表一：GaN-HEMTs基板的比較。

解決這個(gè)問題的是富士通和富士通實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)。最近，利用熱分析的見解，我們已經(jīng)證明背面處理可以改善這個(gè)裝置的熱管理。

熱模擬

為了優(yōu)化GaN-on-GaN器件的熱管理，我們首先模擬了輸出功率為幾十瓦的橫向HEMT。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它可以快速確定最佳的設(shè)備結(jié)構(gòu)和后續(xù)過程，而不是基于原型的迭代方法。

在我們開始模擬之前，我們測(cè)量了用HVPE空穴輔助分離法生長(zhǎng)的半絕緣GaN（0001）襯底的熱導(dǎo)率。采用周期加熱法測(cè)定了237 W m-1 K-1半絕緣GaN基片的熱導(dǎo)率。這個(gè)值與其他組最近的測(cè)量值非常一致。

圖1。典型GaN-on-SiC和GaN-on-GaN結(jié)的橫截面。

我們的模擬考慮了在原生襯底上的GaN外延層，其背面涂有一層AuSn，附著在銅上（見圖2（a））。在HEMT中，大部分熱量是在柵電極的漏極邊緣產(chǎn)生的，在那里電場(chǎng)濃度達(dá)到峰值。為了嘗試和復(fù)制這種情況，我們引入熱源，選擇與柵電極尺寸匹配的尺寸。每個(gè)熱源的功率相當(dāng)于10w/mm的HEMT，工作效率為58.8%。我們改變這些光源的寬度，但將它們的長(zhǎng)度和高度分別定為0.5微米和0.1微米。在我們的模擬中，這些源被放置在GaN外延層的頂部，并且我們改變它們之間的間距以及它們的數(shù)量。

為了確保我們的模擬盡可能真實(shí)，我們考慮了在原生襯底上生長(zhǎng)GaN和在SiC上生長(zhǎng)GaN之間的差異。GaN在GaN上的生長(zhǎng)保證了晶格匹配，因此不需要AlN成核層，我們可以假設(shè)GaN外延層中的位錯(cuò)密度與GaN襯底中的位錯(cuò)密度一樣低?；谶@些考慮，我們對(duì)外延層和襯底之間的界面熱阻采用極低的值-我們使用 1 × 10-10 m2 K W-1，并且我們將GaN外延層的熱導(dǎo)率設(shè)置為 230 W m-1 K-1，其近似等于GaN襯底的熱導(dǎo)率。

圖2。GaN-HEMT功率放大器的模擬結(jié)構(gòu)（a）和模擬熱分布（b）的一個(gè)例子。

對(duì)于SiC上的GaN，模擬結(jié)果明顯不同。在SiC襯底上生長(zhǎng)GaN時(shí)，在緩沖層和SiC襯底之間往往插入AlN成核層。另一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別是GaN外延層的位錯(cuò)密度比GaN-on-GaN高出約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。為了在我們的模型中捕獲所有這些，我們選擇了一個(gè)更高的界面熱阻值-我們使用2.5 × 10-8 m2 K W-1并且我們將GaN外延層的熱導(dǎo)率降低到130 W m-1 K-1。為了確定溫度上升，我們計(jì)算了模擬熱分布的最高溫度和銅散熱器在60°C下的最大溫差（見圖2（b））。

我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于30μm的熱源間距，將GaN襯底減薄到100μm可將溫升降至最低（見圖3（a））。但要注意的是，隨著熱源寬度的增加，GaN-on-GaN的溫升可以超過GaN-on-SiC的溫升。這表明GaN-on-GaN可以很容易地充滿熱量。

這是個(gè)問題嗎？盡管乍一看，我們已經(jīng)證明GaN-on-GaN比GaN-on-SiC具有更高的熱管理潛力。當(dāng)熱源間距超過40μm時(shí)，GaN-on-GaN的溫升比GaN-on-SiC的溫升受到的抑制更大（見圖3（b））。

圖3。GaN-on-GaN和GaN-on-SiC的溫升模擬比較：（a）襯底厚度依賴性，（b）柵間距依賴性。

要理解為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況，需要考慮傳熱機(jī)制的作用。當(dāng)熱源間隔小于30μm時(shí)，產(chǎn)生的熱量干擾GaN外延層。從這里開始，熱量傳遞到基板并沿平行于熱源的方向擴(kuò)散（見圖4（a））。在這種情況下，SiC襯底比GaN襯底更為可取，因?yàn)樗哂懈叩臒釋?dǎo)率。

當(dāng)熱源之間的間距超過40μm時(shí)，得出了不同的結(jié)論。在此情況下，熱干擾減小，并且在源之間的GaN外延層中有效地傳播熱（見圖4（b））。

兩種操作模式之間的交叉發(fā)生在哪里？當(dāng)熱源之間的間距超過其寬度的三分之一時(shí)，GaN-on-GaN比GaN-on-SiC具有更好的散熱性能，這是由于GaN外延層具有更高的熱導(dǎo)率。

圖4。從設(shè)備頂部看，傳熱機(jī)制的差異。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)許多不同的GaN-on-GaN結(jié)構(gòu)有一定的啟示。它應(yīng)該影響橫向GaN在GaN-HEMTs上的發(fā)展，也影響垂直GaN器件的制作。這些結(jié)果促使我們的團(tuán)隊(duì)開發(fā)一種GaN基片減薄工藝，以幫助GaN-on-GaN HEMTs中的散熱。

背面處理

一般來說，GaN基片對(duì)硬度的敏感度低于SiC基片。因此，我們可以使用我們的碳化硅通過基板通孔（TSV）過程時(shí)，我們的GaN基板后磨。為此，在開始后磨之前，我們用粘合劑將2英寸GaN基板連接到4英寸藍(lán)寶石支架上。

我們的熱模擬結(jié)果使我們將處理過的GaN襯底的厚度目標(biāo)定為小于150μm。我們分兩步實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)：首先使用粗研磨機(jī)，以大約25μm/m in的速率去除材料；然后使用細(xì)研磨機(jī)，以1μm/min的速率工作。使用此方法，總厚度研磨時(shí)間只有15分鐘。

圖5。后磨和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）后處理的三種GaN基片的厚度。

后磨實(shí)現(xiàn)了145μm的目標(biāo)厚度和極好的厚度均勻性-在±0.6%范圍內(nèi)（見圖5）。我們處理了其中三個(gè)薄晶片，這項(xiàng)任務(wù)表明我們有一個(gè)穩(wěn)定、可控的過程。原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)了表面的典型劃痕。我們發(fā)現(xiàn)，在晶圓的中心，研磨痕跡是隨機(jī)的，但在頂部，這些痕跡是在一個(gè)方向上對(duì)齊的?；?μm正方形的掃描，平均表面粗糙度小于2nm。

不幸的是，后磨導(dǎo)致晶圓邊緣出現(xiàn)裂紋（見圖6（a））。這是磨削碳化硅時(shí)從未出現(xiàn)過的問題。我們將此問題歸因于GaN襯底比SiC更脆，晶圓邊緣由于后磨而變成刀形。沒有理由報(bào)警，因?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^修剪晶圓的邊緣來消除裂紋。

圖6。背面研磨（a）和化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）（b）后晶圓邊緣的照片和示意橫截面。

為了改善后磨GaN的光潔度，我們使用化學(xué)機(jī)械拋光。用硅基泥漿拋光2小時(shí)后，沒有留下劃痕。該工藝進(jìn)一步去除了10μm的GaN襯底（見圖5），并消除了晶圓邊緣裂紋（見圖6（b））。拋光的確降低了GaN基片的厚度均勻性（其增加到略低于±1.3%），但仍足以完成手頭的任務(wù)。更重要的是改善了表面形貌，平均表面粗糙度降低到0.2nm或更?。ㄒ妶D7）。

我們還調(diào)查了一系列的泥漿。通過改進(jìn)我們的選擇，我們能夠?qū)⑻幚頃r(shí)間縮短三分之二。這樣節(jié)省的時(shí)間有助于減少GaN-on-GaN器件的生產(chǎn)時(shí)間。此外，我們最近增加了我們的專業(yè)知識(shí)，現(xiàn)在可以將后磨和化學(xué)機(jī)械拋光產(chǎn)生的GaN襯底的厚度控制在100微米以下。

圖7?；瘜W(xué)機(jī)械拋光后GaN襯底的原子力顯微鏡圖像。

在拋光過程中，我們發(fā)現(xiàn)了較大的微管，其典型直徑為160μm。其中一些是由于拋光過程暴露了嵌入的微管。然而，大多數(shù)起源于拋光本身，導(dǎo)致位錯(cuò)缺陷的擴(kuò)展。在我們所使用的GaN基片中，位錯(cuò)密度小于 5 × 106 cm-2。展望未來，這個(gè)數(shù)字應(yīng)該會(huì)下降，導(dǎo)致微型管道減少，因?yàn)镚aN基板制造商正在努力制造更好、更低成本、更大的材料。

未來計(jì)劃

我們的目標(biāo)之一是評(píng)估GaN-on-GaN-HEMT襯底厚度的熱耗散，該襯底厚度已通過模擬優(yōu)化。不過，請(qǐng)注意，在設(shè)計(jì)器件的布局時(shí)，不僅要考慮該晶體管的熱特性，還要考慮其高頻性能。

這兩者之間的相互作用并非微不足道。抑制溫升的一種方法是減小柵極寬度，這種方法還可以通過減小相位旋轉(zhuǎn)來改善高頻特性。降低溫度升高的另一種方法是將柵極進(jìn)一步分開，但這會(huì)由于相移的增加而降低高頻性能。

為了改善GaN-on-GaN的高頻特性，我們已經(jīng)開始研制GaN-tsv。這種修改減少了源電感，但可能以犧牲傳熱的折衷為代價(jià)。傳統(tǒng)的tsv往往不是完全由金屬填充的，它們含有空腔。在考慮傳熱和HEMT的高頻特性時(shí)，必須考慮其設(shè)計(jì)和放置的細(xì)節(jié)。

通過引入金剛石散熱片，可以實(shí)現(xiàn)額外的散熱增益。這是非常有效的，因?yàn)槠錁O高的導(dǎo)熱系數(shù)2000 W m-1 K-1。我們正在采用這種方法，并且已經(jīng)成功地使用日本東北大學(xué)Takehito Shimatsu的小組開發(fā)的原子擴(kuò)散鍵合工藝將GaN襯底與金剛石鍵合。這一突破極大地改善了GaN-on-GaN器件的散熱性能。

這項(xiàng)研究部分得到了日本環(huán)境省的支持，作為創(chuàng)建未來理想社會(huì)和生活方式的技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的一部分。

N. Okamoto et al. CS ManTech Conf.， April 2019， 10.5.

N. Okamoto et al. CS ManTech Conf.， May 2009， 7.1.

T. Shimatsu et al J. Vac. Sci. Technol. B 28 706 （2010）
責(zé)任編輯人：CC