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鄭州華晶金剛石股份有限公司

全球首款多單元結構金剛石基GaN HEMT發布

關鍵詞 金剛石 , 電子|2019-09-06 10:22:29|來源 MEMS
摘要 據麥姆斯咨詢報道,三菱電機(MitsubishiElectric)宣布與美國國家先進工業科學與技術研究所(AIST)MEMS和微工程研究中心(UMEMSME)合作,開發出了一種直接...

據麥姆斯咨詢報道,三菱電機(Mitsubishi Electric)宣布與美國國家先進工業科學與技術研究所(AIST)MEMS和微工程研究中心(UMEMSME)合作,開發出了一種直接鍵合在高導熱性單晶金剛石襯底上的多單元結構(多個晶體管單元并聯排列)氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN-HEMT)。

三菱電機表示,這是世界上首次實現多單元GaN-HEMT直接鍵合到單晶金剛石襯底上。該研究成果已于9月2日~5日在日本名古屋大學(Nagoya University)舉行的固態器件和材料國際會議(SSDM)上發布。

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這種新型金剛石基GaN HEMT旨在提高移動通信基站和衛星通信系統中高功率放大器的功率附加效率,從而幫助降低功耗。三菱電機表示,該產品將在2025年商業化之前進一步完善。在此次合作中,三菱電機負責GaN-on-Diamond HEMT的設計、制造、評估和分析,AIST開發了直接鍵合技術。

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關鍵特性

(1)全球首款金剛石襯底直接鍵合的多單元結構GaN-HEMT

為了得到有效熱導率更高的金剛石基GaN HEMT器件,目前主要采用三種方式實現金剛石襯底與GaN外延材料的結合。

第一種是在金剛石襯底上直接外延生長GaN結構。這種方法生長難度大,不管是在多晶金剛石(PCD)還是單晶金剛石(SCD)上都會存在AlGaN/GaN層電學性能差的問題,因此需要在外延生長和最后的冷卻過程中實現更為精細的界面控制和應力管理。

第二種是在GaN HEMT結構上生長金剛石。這種方法可獲得較大尺寸(4英寸)金剛石襯底晶圓,有助于降低成本。然而,為了在GaN層上生長金剛石材料,一般采用高于600℃的CVD技術在SiN等籽晶層上生長,這種方法可能導致影響金剛石材料質量的成核層和熱應力的出現。

第三種是基于轉移技術的GaN/金剛石鍵合方法。這種鍵合方法更為靈活,作為一種并行工藝,GaN外延層和金剛石襯底可以在鍵合前同時制備,因此對于大功率GaN器件來說越來越具有吸引力。由于該技術早期的鍵合實驗一般在800℃高溫下進行,極大限制了生長區域,且需要引入低熱導率的界面鍵合材料,從而導致器件性能優勢無法充分發揮。

在這項研究中,三菱電機將硅襯底上制造的多單元GaN-HEMT去除硅襯底,然后對GaN-HEMT背面進行拋光,使其更薄更平滑,之后使用納米粘附層將其直接鍵合到金剛石襯底上。其多單元結構用于實際產品中八個晶體管單元的并聯對準。最終,利用單晶金剛石高散熱襯底制得了世界上第一個多單元GaN-on-Diamond HEMT。

(2)相比硅襯底上具有相同結構的GaN-HEMT,改善了輸出和功率效率,以擴展無線電波范圍,并且更節能

采用單晶金剛石(熱導率為1900 W/mK)襯底以獲得卓越的散熱性能可降低熱阻值,從而將GaN-HEMT的溫升從211.1℃降低至35.7℃。這可使每柵極寬度的輸出從2.8 W/mm提高到3.1 W/mm,并將功率效率從55.6%提高到65.2%,從而實現顯著的節能效果。

該技術在日本已獲得2件專利授權,還有9件專利在審查中,而在日本以外的國家和地區還申請了10件專利。

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