鑽石基氮化鎵在下一代功率元件中大顯身手

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

氮化鎵(GaN)現在很夯。而更夯的是,為了將GaN與其他材料整合在一起以進一步提高GaN的性能,不同廠商之間展開的競爭。

氮化鎵(GaN)現在很夯。而更夯的是,為了將GaN與其他材料整合在一起以進一步提高GaN的性能,不同廠商之間展開的競爭。

「無論是在元件級還是系統級,鑽石基氮化鎵(GaN-on-diamond)都可以提供高導熱率、高電阻率和小尺寸。因此,對商用基地台、軍用雷達、衛星通訊和氣象雷達等高功率RF應用而言,鑽石基GaN功率放大器元件都極具吸引力。」Yole Développement技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋,「十多年來這項創新技術一直在開發中,預計未來幾年,RFHIC、Akash Systems和三菱電機等業界領先廠商會將其投入商用。」

由美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)機械工程系帶領的一個團隊在室溫下採用表面活化鍵合(SAB)方法,透過不同厚度的中間層,將GaN的單晶鑽石鍵合,得到了一系列結果。這種新技術可使GaN達到最好的性能,從而用於功率要求更高的場合。

要將GaN與其他材料整合,在技術上仍具挑戰。利用導熱介面和在介面處施加低應力來鍵合鑽石和GaN非常困難,但這種方法使GaN元件可以充分利用單晶鑽石的高導熱性,從而為大功率應用提供出色的冷卻效果。由於採用常溫製程,因此不會像其他標準製程那樣因熱膨脹係數不同而產生物理應力問題。

MOSFET已達極限

在電力電子產業,矽MOSFET的性能已經達到了理論極限,現在急需新的技術。GaN是一種具有寬能隙及高電子遷移率的半導體,已被證明能夠滿足新的應用。基於GaN的高電子遷移率電晶體(HEMT)元件具有出色的電氣特性,是替代高壓和高開關頻率馬達控制應用中MOSFET和IGBT的理想元件。

GaN是一種寬能隙材料,其能隙(電子從價帶躍遷到導帶所需的能量)比矽的能隙要寬得多,具體地說,GaN的能隙大約為3.4eV,而矽的能隙為1.12eV。由於所需的能量較高,GaN阻擋特定電壓所需的材料比矽要薄10倍,使元件尺寸更小。GaN HEMT的電子遷移率越高,開關速度就越快,因為聚積在異質結介面的電荷可以更快地散去。

圖1:鑽石基GaN應用一覽。(圖片來源:Yole Développement)

GaN具有更快的上升時間、更低的汲-源導通電阻(RDS(on)),以及更小的閘極和輸出電容,這些都有助於降低開關損耗,並能在比矽高10倍的開關頻率下工作。減少功耗帶來諸多好處,例如功率分配更高效、產生的熱量更少、冷卻系統更簡單。

GaN的性能和可靠性與通道溫度和焦耳熱效應有關。整合到GaN的SiC和鑽石等基板可以改善熱管理,從而降低元件的工作溫度,對於SiC基GaN元件,通道溫度降低25度,元件壽命將延長約10倍。

鑽石的導熱率比矽高14倍,而電場電阻則高30倍。由於導熱率高,因此熱傳導性好。鑽石的能隙為5.47eV,擊穿場強為10MV/cm,電子遷移率為2,200cm2 Vs,導熱率約為21W/cmK。

由喬治亞理工學院、日本明星大學和早稻田大學組成的一個合作開發團隊展示了一種新技術,可讓具有高導熱率的材料更加靠近主動元件中GaN的區域,從而最大限度地提高大功率應用中GaN的性能。

GaN元件已廣泛用於光電子、RF和汽車領域。鑽石基GaN的主要市場則是防禦雷達和衛星通訊,目前也已開始針對5G基地台應用進行大規模生產。

GaN和鑽石特性

當基於GaN的HEMT通道基板溫度較高時,其最大輸出功率就會受到影響,從而降低系統性能和可靠性。鑽石是目前導熱率最高的材料,透過與GaN整合,可以幫助散去通道附近產生的熱。

HEMT元件工作時,如果閘極附近出現大的壓降,就會引起局部焦耳發熱。發熱區域在幾十奈米範圍以內,這會導致局部熱通量超高。基於GaN的HEMT局部熱通量值可能比太陽表面的熱通量值大10倍,合適的散熱技術,例如將鑽石的位置盡可能靠近發熱區域,可以有效降低通道溫度,從而增強元件的穩定性,延長元件壽命。

目前使用的技術包括透過化學氣相沉積(CVD)在GaN上直接生長鑽石,利用介電層作為保護層,因為在鑽石的生長過程中等離子體會損壞GaN。材料及介面的熱阻在熱流量管理中有著舉足輕重的作用,特別是對於高頻開關電源應用。CVD鑽石的生長溫度高於700℃,當元件冷卻至室溫時,介面上產生的應力會使晶片破裂。另外,黏合層增加了GaN-鑽石介面的熱阻,這會削弱鑽石基板高導熱率帶來的好處。

圖2:團隊部分成員進行測試測量工作。

喬治亞理工學院、明星大學和早稻田大學合作研究小組採用兩種改進的SAB技術,透過不同的中間層,在室溫下將GaN與鑽石基板鍵合。利用氬離子束對兩個待鍵合的表面進行清潔和活化,在其表面產生懸空鍵,然後在室溫下將兩個表面壓在一起,懸空鍵將在介面上形成共價鍵。研究小組在介面上添加了一些矽原子,以增強介面的鍵合。

喬治亞理工學院博士Zhe Cheng說:「鍵合是在明星大學和早稻田大學(Fengwen Mu和Tadatomo Suga)完成,然後在喬治亞理工學院(Zhe Cheng、Luke Yates和Samuel Graham)利用時域熱反射法(TDTR)來測量鍵合介面。喬治亞理工學院還完成了相關的熱建模,用來評估鍵合介面對GaN元件的影響。」

TDTR用於測量熱性能。利用高解析度掃描電子顯微鏡(HR-STEM)和電子能量損失譜(EELS)可以完成材料表徵。

TDTR

TDTR採用超快飛秒雷射泵浦-探測技術,利用1~12MHz的調變超快雷射來控制熱穿透深度,可以測量GaN-鑽石介面的邊界熱傳導。與泵浦脈衝相比,探測脈衝延遲了0.1~7ns,因而可以測量相對表面溫度的衰減。鎖相放大器可擷取光電探測器檢測到的讀取訊號。溫度變化是根據薄金屬換能器(50~100nm)反射率的變化來測量,該系統能測量0.1~1,000W/m-K的導熱率和2~500m2-K/G的熱邊界電阻,還使用了鈦寶石飛秒雷射器。

製造與測試

喬治亞理工大學和明星大學將GaN與鑽石鍵合時,他們在介面上添加了一些矽原子來增強介面的化學黏合,這降低了接觸面的熱傳導。邊界導熱率(TBC)描述了固-固介面之間的熱傳導,相關係數則表示通過介面傳導熱量的能力。

開發團隊使用了兩個樣本。第一個樣本包含一個GaN薄層(約700nm),它與商用單晶鑽石基板結合(利用CVD方法生長),有一個厚度約10nm的矽中間層。另一個樣本包含一個厚度約1.88μm的GaN層,它與商用單晶鑽石基板鍵合在一起(透過高壓高溫方法生長)。打磨GaN,讓它變得夠薄,以便進行TDTR測量(圖3和圖4)。

使用圖3所示的樣本結構,首先測量不帶GaN層(圖3中右邊區域)的單晶鑽石基板的導熱率。然後,在帶GaN層的區域進行TDTR測量,得到GaN-鑽石結構的TBC。

Cheng說:「在GaN層上方進行測量時,之前測得的鑽石基板導熱率作為已知參數補充TDTR資料,得到TBC。總的來看,未知參數有三個:Al-GaN TBC、GaN導熱率和GaN-鑽石TBC。TDTR是用於測量奈米結構和塊體材料熱性能的技術。用一束調變雷射使樣本表面發熱,另一束光稍後透過熱反射檢測表面溫度的變化,並由光電探測器擷取。」

圖3:(a)鑽石和鍵合GaN-鑽石樣本上的TDTR測量;(b)三個未知參數的TDTR敏感度;(c)在室溫下及調變頻率為2.2MHz時樣本2的TDTR資料擬合。(圖片來源:Scientific Article)

圖4:(a~b)樣本1的GaN-鑽石介面的剖面圖;(c~d)樣本2的GaN-鑽石介面的剖面圖。(圖片來源:Scientific Article)

科學文獻中報導的GaN-鑽石介面的TBC測量值較高,而且會受中間層厚度的影響。由於介面無序而且有缺陷,GaN-鑽石表現出弱溫度依賴性。該元件的建模顯示出它具有較大的GaN-鑽石TBC(>50MW/m2-K),因而可以充分利用單晶鑽石的高導熱率。其應用範圍涵蓋國防(雷達和衛星通訊)和商業(能源基礎設施、自駕車和5G基地台)。

(參考原文:GaN-on-Diamond For Next Power Devices,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2020年6月號雜誌

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