基于金刚石的GaN基微波功率器件研究进展

李金平, 王　琨

(1.国防科工局 协作配套中心, 北京 100081;　2.中科院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083)

基于金刚石的GaN基微波功率器件研究进展

李金平1, 王琨2

(1.国防科工局 协作配套中心, 北京 100081;2.中科院半导体研究所 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083)

摘要:金刚石在目前所知的天然物质中具有最高的热导率，在高频、大功率GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)和电路的散热方面极有应用潜力。综述化学气相沉积多晶金刚石衬底的衬底转移技术、单晶金刚石衬底的直接外延技术和纳米金刚石表面覆膜的器件工艺技术在GaN基HEMT器件中的应用研究和发展历程，并分析每种技术的优缺点。

关键词:金刚石；氮化镓；微波器件；高热导率

宽禁带氮化镓(GaN)基半导体材料具有禁带宽度大、热导率高、电子饱和漂移速度高、易于形成异质结构等优异性能，非常适于研制高频、大功率微波、毫米波器件和电路，是近20余年以来研制微波功率器件最理想的半导体材料[1-3]。随着外延材料晶体质量的不断提高和器件工艺的不断改进，基于GaN基材料研制的微波、毫米波器件和电路，工作频率越来越高，输出功率越来越大。

2006年，美国Cree公司的Wu等人[4]研制的GaN基高电子迁移率晶体管(HighElectronMobilityTransistor,HEMT)，4GHz时的输出功率密度达到41.4W/mm。2011年，美国休斯实验室(HRL)研制的W波段GaN微波功率器件，95GHz时输出功率达到1024mW[5]。2013年美国RFMD推出的一款用于L波段雷达的GaN基功率放大器，脉冲功率达500W。 2015年，Tang等人[6]研制的栅长20nmGaN基HEMT，电流增益截止频率和最高振荡频率高达454GHz和444GHz。

随着基于GaN材料的微波功率器件向更小尺寸、更大输出功率和更高频率的方向发展，“热”的问题越来越突出，逐渐成为制约这种器件向更高性能提升的最重要问题之一[7-10]。采用高热导率金刚石作为高频、大功率GaN基器件的衬底或热沉，可以降低GaN基大功率器件的自加热效应，并有望解决随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降的问题，因此，成为近几年的一个国际研究热点。

1金刚石在GaN基HEMT中的应用潜力

金刚石不仅具有“宝石之王”的美称，而且还具有禁带宽度大、硬度和热导率极高、电子饱和漂移速度高、耐高温、抗腐蚀、抗辐照等优异性能，在高压和高效功率电子、高频和大功率微电子、深紫外光电子等领域都有着极其重要的应用前景[11-12],并且，金刚石具有目前所知的天然物质中最高的热导率(2200W/m·K)，比碳化硅(SiC)大4倍, 比硅(Si)大13倍，比砷化稼(GaAs)大43倍，是铜和银的4～5倍，所以,目前的一个重要研究方向是将金刚石作为大功率GaN基微波器件的衬底或将其应用于其他散热通道，有望解决GaN基微波器件随总功率增加、频率提高出现的功率密度迅速下降、效率降低和器件失效问题，实现大功率输出时的高功率密度和高工作频率应用。另外，不掺杂的金刚石亦具有很高的电阻，这也非常有利于提高GaN功率单片微波集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,MMIC)的器件隔离度[8]。

早在2001年，德国的Seelmann-Eggebert等人[13]就从理论和实验两方面探讨了化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition,CVD)金刚石热扩散膜在GaN基HEMT中的应用潜力。2007年，Francis等[8]对Si、蓝宝石、SiC和金刚石等几种GaN基HEMT的常用衬底进行了对比研究，研究结果表明，即使是与热导率较高的SiC衬底相比，金刚石衬底GaN基HEMT的优势也非常明显，所研制的金刚石衬底GaN基HEMT，热阻降低58%，输出功率密度提高3倍。2012年，Hirama等[14]对常用的使用SiC为衬底的HEMT结构与使用金刚石为衬底的HEMT结构的温度进行了测量，在栅宽630μm，输出功率2W的条件下，器件温度最高处分别为36℃与46℃，与室温相比分别上升了13℃和23℃， 如图1所示。由此计算得使用金刚石衬底的HEMT热阻值为4.1K·mm·W-1，是目前所报道的HEMT器件中的最低值。相比之下，相同结构使用SiC衬底的HEMT器件的热阻为7.2K·mm·W-1，约是使用金刚石衬底的器件热阻的2倍。2013年，美国Group4的研究人员对金刚石衬底GaN基HEMT器件的可靠性进行了研究[15]，器件在沟道温度200℃下175 000h的试验过程中，电流变化最大不超过10%，显示了金刚石衬底GaN基HEMT在长期可靠性方面的优势。

图1　AlGaN/GaN基HEMT工作温度分布

欧盟于2008年启动MORGaN项目(2008-11-01—2011-10-31)，首先将高热导率金刚石引入了GaN基HEMT器件和电路的研制中，研究单晶金刚石衬底[16]、纳米金刚石表面覆膜[17]等技术对GaN基HEMT器件性能的影响。图2给出了他们的一个早期研究结果，研究发现，在器件研制过程中引入纳米金刚石表面覆膜，可以将衬底对器件的影响大大降低，提高器件的散热能力。

图2　欧盟MORGaN计划研究结果

随后，在2011年，美国国防先期研究计划局(DARPA)启动了“近结热传输”(NJTT)项目(2011—2015)，支持NGAS、BAE、Raytheon、TriQuint和RFMD5个团队开展金刚石用于GaN基HEMT以解决器件散热问题的研究[8,10]。这些团队于2013年4月30日演示了所研制的基于金刚石的GaN基HEMT，该晶体管显示出比商用器件低得多的结温，大幅改善了晶体管的热特性，并且使射频系统的性能得到提升。在保持相同输出功率的情况下，新型放大器比目前最先进的氮化镓放大器尺寸减小3倍，从而使得射频系统的尺寸更小、重量更轻、功耗更低；在保持相同尺寸的情况下，该新型功率放大器可增大输出功率3倍，使得通信系统的信号更强、雷达装备的探测距离更远。

2基于多晶金刚石衬底的GaN基HEMT

将高热导率的金刚石应用于高频、大功率GaN基HEMT，以解决器件和电路的散热问题的研究中，研究得最早、工艺最成熟的技术是如图3所示的基于多晶金刚石衬底的技术[9-10,18-19]。这种技术先用传统方法在Si、SiC等衬底上生长得到AlGaN/GaN外延材料，然后将外延材料的上表面粘接到一个合适的载体上，接着去除原衬底，将外延材料的下表面与CVD多晶金刚石衬底进行原子级结合，接着去除载体，得到基于金刚石衬底的AlGaN/GaN异质结构材料，最后基于此材料进行器件和电路的研制。这种技术可以解决在金刚石衬底上直接外延AlGaN/GaN异质结构材料难以成核的问题，而且也不受单晶金刚石衬底尺寸小等问题的影响，是目前金刚石用于GaN基HEMT的主流技术。美国的几个团队，利用Group4的CVD多晶金刚石技术，在如前所述的NJTT项目的支持下，在这个领域开展了非常深入的研究，成果显著[9-10]。

图3　基于衬底转移技术的金刚石GaN基HEMT过程

2006年，美国Group4实验室、SensorsDirectorate和Emcore公司合作，首次报道了基于2英寸金刚石衬底的AlGaN/GaNHEMT器件[20]，其栅长200nm，跨导70mS/mm，最大电流306mA/mm，电流增益截止频率8GHz，最高振荡频率11.4GHz。2007年，Cornell大学的Felbinger等[21]采用Group4的衬底研制出AlGaN/GaNHEMT器件，最大电流密度为1 072mA/mm，最大输出功率密度为1.92W/mm，功率增益效率44%，稍逊于SiC衬底器件。2010年，Group4实验室和空军研究实验室(AirForceResearchLaboratory)制作出工作在X波段的AlGaN/GaNHEMT器件[9]，栅宽150μm，栅长250nm，平均电流498.4mA/mm，平均跨导229.3mS/mm，平均击穿电压47.9V，平均电流增益截止频率达到47.9GHz，平均最大振荡频率为83.9GHz，功率密度为2.08W/mm，功率附加效率44.1%。2013年，TriQuint公司的Dumka等人[22]，采用此技术研制的器件，10GHz时输出功率密度达到7.9W/mm，功率附加效率大于46%。该器件的性能测试结果如图4所示。

图4　Dumka等的金刚石衬底GaN基HEMT性能

基于CVD多晶金刚石，采用衬底转移技术实现金刚石衬底GaN基HEMT，不仅摒弃了单晶金刚石材料生长难度大、尺寸小、成本高等问题，而且可以充分利用Si、SiC、蓝宝石等衬底上AlGaN/GaN异质结构材料生长的成熟技术，实现高质量外延材料和器件，是目前金刚石和GaN基HEMT相结合的主流技术。但如何实现CVD金刚石和AlGaN/GaN异质结构材料的原子级结合仍是目前的难点，迄今也只有美国的少数几个机构掌握了相对成熟的技术。

3单晶金刚石衬底直接外延GaN基HEMT

在单晶金刚石衬底上直接外延GaN及其异质结构材料，是随着单晶金刚石材料制备技术的不断发展、单晶的尺寸不断增大而发展起来的。在此领域的研究中，具有代表性的有欧盟MORGaN项目支持下发展起来的瑞士EPFL、德国的Element6团队[16,23]和日本NTT公司的团队[24-25]。

2009年，瑞士EPFL的Dussaigne等人[26]在(111)单晶金刚石衬底上采用MBE技术外延生长得到了GaN材料，他们借鉴Si基GaN材料的生长条件，所研制的GaN外延膜表面粗糙度1.3nm(2μm×2μm)，晶体质量较好。在金刚石/GaN生长的基础上，2010年他们又生长出AlGaN/GaN异质结构材料[23]，2μm×2μm范围内表面粗糙度为0.6nm，室温二维电子气迁移率750cm2/Vs，面密度1.4×1013cm-2。2010年，德国Ulm大学的Alomari等研究者采用MBE技术[16]，首次直接在单晶3mm×3mm金刚石(111)衬底上外延得到AlGaN/GaNHEMT材料，异质结构材料室温二维电子气迁移率为731cm2/Vs，面密度为1.3×1013cm-2，基于此材料研制的栅长0.2μm的HEMT器件，电流密度为0.73A/mm，跨导137.5mS/mm，电流增益截止频率为21GHz，最高振荡频率为42GHz。该GaN基HEMT结构及器件的小信号特性如图5所示。

图5　Alomari等的GaN基HEMT的结构及小信号特性

2011年，日本NTT公司的Hirama等人[24]同样在单晶金刚石衬底上研制出GaN基HEMT器件，他们采用金属有机物气相外延(MetalOrganicVaporPhaseEpitaxy,MOVPE)方法外延得到AlGaN/GaN异质结构材料，室温二维电子气迁移率和面密度分别为730cm2/Vs、1.0×1013cm-2。基于此材料研制的HEMT功率器件，最大输出电流密度220mA/mm，电流增益截止频率和最高振荡频率分别为3GHz和7GHz。2012年，他们获得了具有功率输出的GaN基HEMT[25]，1GHz时的输出功率密度为2.13W/mm，增益为28dB,功率附加效率为46%，电流增益截止频率和最高振荡频率分别为25GHz和18GHz。该器件的频率和功率特性曲线如图6所示。

图6　Hirama等的GaN基HEMT的频率和功率特性

虽然有研究者在单晶金刚石衬底上实现了AlGaN/GaNHEMT材料的异质外延和器件的制备，但这方面的难度仍然很大。首先是金刚石属于立方相结构，而GaN基材料是六方纤锌矿结构，这种晶体结构的差异使得在金刚石上直接进行AlGaN/GaNHEMT材料的外延难度很大。另外一个难点是GaN和金刚石的晶格常数和热膨胀系数差别较大，也给直接进行GaN基异质结构材料生长带来了困难。

4纳米金刚石表面覆膜GaN基HEMT

纳米金刚石(NanocrystallineDiamond,NCD)表面覆膜技术也是采用金刚石促进GaN基HEMT热扩散的一种主流技术。Wang等[17]通过理论模拟发现，在GaN基HEMT表面沉积几微米的金刚石纳米薄膜，可以将器件的峰值沟道温度(channeltemperature)大大降低。而且，纳米晶金刚石的沉积工艺，与传统GaN基HEMT工艺中的氮化硅等钝化膜的沉积工艺相似，外延片的尺寸也不受限制，所以在GaN基HEMT研制中潜力也很大。Wang等引入NCD的GaN基HEMT结构及散热通道与传统结构[1]的对比情况如图7所示。

图7　两种GaN基HEMT结构及散热通道对比

早在2001年，Seelmann-Eggebert等人[13]就研究了金刚石表面薄膜在GaN基HEMT中的应用潜力。2011年，Alomari等人[27]采用NCD技术研制的InAlN/GaN基HEMT，电流增益截止频率和最高振荡频率分别为4.2GHz和5GHz。

2014年，美国海军实验室的Meyer等人[28]研究了NCD帽层技术对GaN基HEMT性能的影响，并首次报道了NCD帽层GaN基HEMT的大信号功率特性，4GHz时该器件的输出功率密度为5.8W/mm，增益10.1dB，功率附加效率为32.6%，并由此表明了NCD帽层技术对GaN基HEMT的热管理的应用潜力(图8)。

2016年，美国海军实验室的Tadjer等人[29]研究了NCD帽层对AlGaN/GaNHEMT的影响，研究发现纳米晶体金刚石对器件的钝化效果优于传统的氮化硅钝化。

图8 Meyer等研制的GaN基HEMT的结构和功率测试结果

同采用多晶金刚石的衬底转移技术相似，表面金刚石纳米覆膜技术也不受单晶金刚石衬底的诸多问题的影响，在GaN基HEMT研制中也具有相当的优势和潜力。但在制做HEMT器件的过程中，沉积金刚石纳米薄膜，会受到器件工艺条件的限制，该技术应用起来目前仍有一定难度。

5结语

将金刚石引入高频、大功率GaN基微波功率器件和电路，解决器件的散热问题，是近几年的国际研究热点。基于多晶金刚石的衬底转移技术、基于单晶金刚石的材料直接外延技术和基于纳米金刚石薄膜的器件表面覆膜技术，在解决高频、大功率GaN基HEMT的散热方面都具有非常重要的应用潜力。

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[责任编辑:瑞金]

Researchprogressofdiamond-basedGaNmicrowavepowerelectronicdevices

LIJinping1,WANGKun2

(1.TheCenterofCoordinationandSupport,SASTIND,Beijing100081,China;2.KeyLabofSemiconductorMaterialsScience,InstituteofSemiconductors,CAS,Beijing100083,China)

Abstract:Diamond has the highest thermal conductivity in the present natural materials, which has great potential to solve the heat dissipation problems for the high frequency, high power GaN based HEMT devices and circuits. The research developments of the three technologies of integrating diamond into GaN based HEMTs are reviewed, which are about chemical vapor deposition (CVD) diamond substrate transfer technique, AlGaN/GaN heterostructures directly grown on single-crystal diamond substrate, and the technology of nanocrystallline diamond layers on the top of AlGaN/GaN HEMTs. The advantages and disadvantages of these technologies are also analyzed.

Keywords:diamond, GaN, microwave devices, high thermal conductivity

doi:10.13682/j.issn.2095-6533.2016.03.003

收稿日期：2016-04-11

基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(61334002)

作者简介：李金平(1965-)，女，高工，从事科研项目咨询评估及管理和信息材料及器件研究。E-mail: lijinpingccsc@126.com 王琨(1987-),女，博士，助理研究员,从事宽禁带半导体材料与器件研究。E-mail: wklq1987@163.com

中图分类号：TN385

文献标识码：A

文章编号：2095-6533(2016)03-0025-07