材料往往因特定優(yōu)勢而聞名。金剛石正因為在室溫下具有最高的熱導(dǎo)率(2000W/m.K)，兼具帶隙寬、擊穿場強(qiáng)高、載流子遷移率高、耐高溫、抗酸堿、抗腐蝕、抗輻照等優(yōu)越性能，而在高功率、高頻、高溫領(lǐng)域有至關(guān)重要的應(yīng)用。金剛石，已被認(rèn)為是目前最有發(fā)展前途的寬禁帶半導(dǎo)體材料之一。
美國國防部高級研究計劃局(DARPA)微系統(tǒng)技術(shù)辦公室主任Mark Rosker在去年舉辦的CS Mantech上表示，化合物半導(dǎo)體行業(yè)將很快進(jìn)入第三波材料技術(shù)浪潮。這個時代將看到由不同材料組合制造的器件。
圖1.Rosker 認(rèn)為，第三次浪潮現(xiàn)在開始出現(xiàn)，器件采用突變結(jié)和具有不同晶格常數(shù)的高性能材料。
為了說明第三波器件可能是什么樣子，Rosker 強(qiáng)調(diào)了一種由威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和密歇根州立大學(xué)合作創(chuàng)新的新型HBT器件。使用在同質(zhì)襯底上生長的 AlGaAs/GaAs膜轉(zhuǎn)移，該團(tuán)隊構(gòu)建了帶有金剛石襯底、p型金剛石集電極、Al2O3中間層和提供發(fā)射極和基極結(jié)的 AlGaAs 層的HBT(見圖 1)。通過采用嫁接技術(shù)，工程師克服了 GaAs 基層和金剛石之間 37% 的晶格失配。這是一項突破，為將HBT的一些傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)與金剛石出色的散熱能力以及可提高晶體管擊穿電壓的更高帶隙相結(jié)合打開了大門。
鍵合晶圓
將不同的化合物半導(dǎo)體材料組合在一起的更成熟的方法是直接晶圓鍵合。這種方法的一種變體，稱為表面活化鍵合，具有很大的吸引力，因為它不需要任何濕法處理，晶片在室溫下鍵合在一起。
Akash 是金剛石基GaN的先驅(qū)，為了用這種技術(shù)將材料結(jié)合在一起，晶片被裝入一個真空室，真空室被抽至10-6帕左右，然后用中性原子束(通常是氬)轟擊晶片表面，原子束被加速1-2千伏。這些碰撞消除了天然氧化物并產(chǎn)生了活化表面。然后將成對的晶片壓在一起，通常鍵合壓力約為10 MPa(見圖2)。
圖2.在真空條件下工作，用快速原子束 (FAB) 轟擊晶圓去除了原生氧化物，形成了一個用于鍵合的表面。
在CS Mantech大會上，大阪城市大學(xué)(Osaka City University)的小組負(fù)責(zé)人、這種晶圓鍵合方面的專家Naoteru Shigekawa概述了優(yōu)化這種工藝的標(biāo)準(zhǔn)，然后用新型器件的例子說明了其能力。雖然他的器件僅限于連接直徑不超過2英寸的晶圓，但他很快指出，有可用的商用工具，適用于300毫米晶圓的高通量鍵合。
Shigekawa 告訴與會者，晶圓的表面粗糙度會影響鍵合良率。他的團(tuán)隊的實驗表明，要成功鍵合，表面粗糙度值Ra必須低于1 nm，理想情況下小于該值的一半。外延片往往遠(yuǎn)高于此值，但拋光會使它們的表面變平，從而實現(xiàn)成功的鍵合(見圖3)。
圖3.晶片的平整度決定了鍵合良率。拋光可降低粗糙度，并增加高質(zhì)量鍵合的機(jī)會。
應(yīng)用這種形式的鍵合時需要小心，因為表面活化會導(dǎo)致干蝕刻，這會增加表面粗糙度并降低產(chǎn)量。蝕刻的另一個缺點(diǎn)是它引入了中間間隙狀態(tài)?！拔覀兗僭O(shè)這種中間間隙狀態(tài)對鍵合界面的電氣特性有負(fù)面影響，”Shigekawa說，他補(bǔ)充說，一種解決方案是鍵合后退火，這可以導(dǎo)致界面特性的恢復(fù)。
為了說明這一點(diǎn)，Shigekawa 展示了鍵合硅和 GaAs 晶片的透射電子顯微鏡。在退火之前，界面處有一個類似非晶的過渡層。在 300℃下退火會導(dǎo)致該層收縮，而在 400℃下它會由于再結(jié)晶而消失。
Shigekawa 及其同事還使用電學(xué)測量來評估退火如何調(diào)整界面特性。對通過將兩個n型硅晶片鍵合在一起以及通過將兩個p型硅晶片鍵合在一起形成的結(jié)進(jìn)行的研究表明，在1000℃下退火10分鐘會將界面態(tài)密度從 1013cm-2eV-1左右降低到此值的五分之一。
大阪城市大學(xué)的團(tuán)隊已經(jīng)生產(chǎn)了一系列具有晶圓鍵合的新型器件，包括多結(jié)太陽能電池、具有寬帶隙和窄帶隙材料之間結(jié)的功率器件，以及具有金剛石層以增加電流擴(kuò)散的場效應(yīng)晶體管。對于后者，器件是通過將金剛石直接鍵合到半導(dǎo)體材料上形成的，一種是硅，另一種是 GaA，并將金剛石鍵合到散熱器上。新架構(gòu)有望大幅降低熱阻。
使用熱成像儀，Shigekawa 和同事測量了他們結(jié)點(diǎn)的熱阻。為了提供基準(zhǔn)，他們使用了熱阻為35 K/W的鍵合 GaAs-藍(lán)寶石結(jié)(見圖 4)。相比之下，GaAs-金剛石結(jié)的電阻僅為 6 K/W，這就允許器件在不過熱的情況下更穩(wěn)定可靠工作，或者采用更簡單的熱管理方法。
圖4.與藍(lán)寶石相比，金剛石具有極高的導(dǎo)熱性，可降低該結(jié)處的熱阻。
研究人員還考慮了將 GaN 與金剛石鍵合。布里斯托大學(xué)的 Martin Kuball 團(tuán)隊對這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行了微拉曼測量，結(jié)果表明這些結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力與硅基 GaN 的應(yīng)力相似。
金剛石散熱
加利福尼亞州舊金山的 Akash Systems 致力于開發(fā)用于衛(wèi)星通信的金剛石GaN晶體管、功率放大器和無線電。在這種環(huán)境下，散熱的唯一機(jī)制是輻射。使用金剛石基氮化鎵，熱量從HEMT的通道中排出的速度比使用 SiC上GaN 快得多，從而允許更高的襯底溫度 – 最終通過輻射更好地散熱。
請注意，通過降低器件的強(qiáng)度來避免高溫并不是一個很好的折衷方案，因為這會降低數(shù)據(jù)傳輸速率。說明這一點(diǎn)的是 Akash 的產(chǎn)品之一，金剛石GaN 無線電，它采用 10 厘米×10 厘米×3 厘米的封裝，當(dāng)放置在 550 公里的高度時，可以提供超過 600 Mbit/s的數(shù)據(jù)速率 – 這是100 MHz信道中8 GHz左右的傳統(tǒng)SiC上GaN技術(shù)速率的五倍多。
在Akash，工程師們將未加工的硅基GaN外延片的外延面連接到一個臨時載體，移除硅襯底，在該處生長一層金剛石，然后移除臨時載體來形成新器件。由于沉積的金剛石形成了一個相當(dāng)粗糙的層，因此必須對其進(jìn)行拋光。將臨時載體連接到外延片的選項包括擴(kuò)散鍵合和等離子體激活鍵合。但在 Akash，出于多種原因，他們更喜歡玻璃熔塊鍵合(也稱為玻璃焊接)(見表 1)。熔塊鍵合的主要屬性是它可以應(yīng)用于完整的晶片，它在隨后用于金剛石生長的高溫下保持其強(qiáng)度，并且它可以適應(yīng) GaN 中的彎曲、翹曲和缺陷。
表1. Akash 的工程師在生產(chǎn)金剛石GaN 器件時采用玻璃熔塊工藝的原因有很多。
Francis 解釋說，通過熔化玻璃，它們可以滿足表面粗糙度和彎曲度。“因為你把玻璃做得足夠厚，你可以為5微米的缺陷提供一定程度的粗糙度，而不會有太多麻煩?！?/p>
Akash 的團(tuán)隊與布里斯托爾大學(xué)的 Kuball 團(tuán)隊合作，量化了去除過渡層所帶來的散熱改進(jìn)。這些過渡層受到其三元性質(zhì)以及眾多缺陷的阻礙(見圖5)。熱導(dǎo)率通常為15W/m.K，比GaN的值低約10倍。為了避免這個問題，Akash 在添加導(dǎo)熱系數(shù)為1600W/m.K的金剛石之前去除了這些過渡層。
圖5.Akash 使用硅基GaN HEMT 作為生產(chǎn)其金剛石基GaN器件的起點(diǎn)。硅基 GaN 的透射電子顯微鏡圖像，顯示過渡層(左)和金剛石基 GaN(右)中的缺陷密度非常高。
在 GaN 上沉積高質(zhì)量的金剛石層并不容易。金剛石層有侵?jǐn)_ GaN 的趨勢，在界面形成爆米花狀的納米級結(jié)構(gòu)。解決方案是添加一層SiN。由于其導(dǎo)熱系數(shù)非常低，因此需要盡可能薄，同時仍能確保優(yōu)質(zhì)的金剛石薄膜。Francis表示，在考慮器件性能和一致性時，25 nm 左右的厚度會產(chǎn)生最佳結(jié)果。
由于沉積的金剛石形成數(shù)十微米大小的顆粒，因此需要拋光工藝以確保表面光滑。第一步將峰谷粗糙度變化從30μm減少到5μm，然后第二步將表面粗糙度降低到 0.5μm。應(yīng)用這兩個步驟會修整鉆石的總厚度，從大約200微米降至105微米。
Francis 及其同事將 GaN-on-SiC HEMT的性能與基于金剛石的 GaN HEMT的性能進(jìn)行了比較。前者的測量結(jié)果是，柵極長度為150 nm、工作頻率為20 GHz、效率為25%的器件，當(dāng)通道溫度為200℃時，襯底溫度為 25℃。對于金剛石基 GaN 變體，由于該團(tuán)隊尚未完善 150 nm工藝，因此采用了250 nm的柵極長度。較大的柵極將效率降低到20%。然而，令人鼓舞的是，對于 200℃的通道溫度，基板溫度可以高達(dá)100℃，從而允許器件在不需要主動冷卻的情況下在太空中運(yùn)行。
這一有希望的結(jié)果，就像 Rosker 描述的那些器件——以及麻省理工學(xué)院和大阪城市大學(xué)制造的那些器件——讓我們看到了未來可能發(fā)生的事情。當(dāng)器件使用不同的材料時，許多門都可以打開，這有助于將我們行業(yè)的重要性提升到一個全新的水平。（文：科微之星官微）
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