金刚石是超宽禁带半导体材料,具有载流子迁移率高、载流子饱和漂移速率大、击穿场强大、热导率高等优异性质,是解决高频大功率电子器件散热问题的理想材料。将金刚石作为大功率电器件的热沉/衬底,能大幅提升器件的散热能力,有效改善器件高温退化情况,提升器件功率特性等。
传统GaN功率器件一般选择Si,SiC等作为衬底材料,近年来,随着功率器件工艺不断提升,理论输出功率越来越高,频率越来越大,体积越来越小,仅靠传统的衬底材料通过被动冷却技术,已经难以满足高功率条件下的散热需求,成为了限制功率器件进一步发展的主要瓶颈之一。
采用热导率更高的金刚石作为高频、大功率器件的衬底/热沉,功率器件展示出了优异的性能:
1. 漏极电流高温退化情况
在200℃下,基于Si衬底的退化速率明显大于基于金刚石的衬底,表明采用金刚石的衬底的器件高温退化得到了明显改善。采用金刚石衬底,器件的散热能力提升,2DEG随温度的退化也得到有效抑制。
2. 功率特性
转移后的基于金刚石衬底的 HEMTs 器件的饱和输出功率密度输出功率为 2.0W/mm,较转移前的器件提升了1.56dB。而功率附加效率 PAE 则较转移前器件提升了一倍,达到 40.12%。功率性能的改善进一步说明整个转移工艺的成功,也说明了采用金刚石衬底后,由于对器件散热能力的调制,使得功率特性得以提升。
3. 结温变化
对转移前后器件的结温进行提取,器件面积均为 400μm×400μm,可以观察到,在相同耗散功率 下,转移后的GaN-on-Diamond HEMTs 器件较 GaN-on-SOI HEMTs 器件结温显著降低。可以观察到,当直流功耗达到 10W/mm 时,GaN-on-SOI HEMTs 器件结温达到 231.6℃,而转移后的 GaN-on-Diamond HEMTs 为 147.7℃,结温降低 83.9℃。
4. 热仿真
采用有限元软件 ANSYS 对样品进行热仿真模型的建立,并通过结温测试结果对模型进行校准。转移前 GaN-onSOI HEMTs 中衬底的温升占整个器件温升的 77%,是阻碍器件散热的主要因素。而转移后的 GaN-on-Diamond HEMTs 器件温度大幅降低,其中,金刚石衬底的温升仅占器件整体温升的 17%,而键合层的温升占据器件整体温升的 42%,成为影响器件散热能力提升的瓶颈因素,是后续工艺优化的关键。
数据表明,采用金刚石热沉/衬底的功率器件具有更高的散热能力,这将在高功率射频、微波通信、 5G /6G、航空航天、国防等领域具有极高的应用价值。凯发k8国际现已有金刚石热沉片、金刚石晶圆、金刚石窗口片、金刚石基氮化铝、金刚石和氮化镓异质集成等产品,其中金刚石热沉片的热导率1000-2200W/(m.k),是高功率器件衬底材料的首选。