在半導(dǎo)體技術(shù)的前沿領(lǐng)域，金剛石/GaN異質(zhì)外延技術(shù)正受到廣泛關(guān)注。異質(zhì)外延技術(shù)通常需要在外延表面沉積緩沖層，包括金剛石異質(zhì)外延GaN技術(shù)和GaN底面異質(zhì)外延金剛石技術(shù)。它為解決 GaN功率器件的散熱問題提供了新的思路和方法，但同時也面臨著一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。下面將為大家詳細介紹金剛石異質(zhì)外延GaN技術(shù)的相關(guān)研究進展。

       金剛石異質(zhì)外延GaN技術(shù)

       金剛石襯底散熱技術(shù)——異質(zhì)外延技術(shù)，因金剛石與GaN的晶體結(jié)構(gòu)不同，存在晶格和熱膨脹系數(shù)失配難題，關(guān)鍵在于控制應(yīng)力和保證晶體質(zhì)量。該技術(shù)分為GaN異質(zhì)外延金剛石技術(shù)（去除GaN原襯底及部分緩沖層后，先在GaN背面沉積介電層保護，再沉積金剛石層）和金剛石異質(zhì)外延GaN技術(shù)（在金剛石上用 MBE、MOCVD 等方法沉積GaN層），目前研究較多的是前者。GaN異質(zhì)外延金剛石技術(shù)雖界面結(jié)合強度高且成本低，但存在異質(zhì)外延金剛石形核層質(zhì)量差、熱導(dǎo)率低，以及金剛石生長環(huán)境高溫、高氫等離子體密度，導(dǎo)致GaN在冷卻過程中翹曲、破裂，在氫等離子體環(huán)境中被刻蝕、分解等問題，所以需在GaN表面制備保護層緩解熱應(yīng)力并保護 GaN，技術(shù)基本流程如圖所示。

 GaN異質(zhì)外延金剛石基本流程  圖源：論文

       1、形核層質(zhì)量與熱導(dǎo)率問題

       Malakoutian 等通過快速形核方法，利用保護層電位差實現(xiàn)金剛石顆粒高密度播種，在特定條件下形核和生長，降低了形核層厚度和界面熱阻，還使部分保護層轉(zhuǎn)化為熱導(dǎo)率更高的 SiC。

       Smith 等采用混合金剛石晶粒播種方法，他們使用MOCVD分別制備了Si基GaN和Si基AlN兩個樣品，在兩個樣品上使用靜電噴霧法分兩步播種微米金剛石（2±1μm）和納米金剛石（3.3±0.6nm），然后使用微波等離子體增強化學(xué)氣相沉積法生長了厚金剛石層。分兩步播種不同尺寸金剛石后生長，大幅減小了金剛石形核層熱阻。

       2、熱應(yīng)力問題

       Jia 等提出的在GaN兩側(cè)生長金剛石的結(jié)構(gòu)，首先在GaN上層沉積2μm厚Si層，然后在Si層上低溫、高甲烷濃度沉積低質(zhì)量犧牲層金剛石，GaN下層先去除原襯底、沉積 SiN保護層，再沉積高質(zhì)量金剛石作為散熱層。如下圖所示，制備了金剛石-GaN-金剛石結(jié)構(gòu)通過犧牲層金剛石和散熱層金剛石共同分擔(dān)應(yīng)力，有效緩解了熱應(yīng)力問題，降低了GaN層的應(yīng)力。

兩側(cè)生長金剛石減小應(yīng)力  圖源：論文

       GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù) 

       1、金剛石鈍化層散熱技術(shù) 

       技術(shù)原理：金剛石鈍化散熱技術(shù)是利用金剛石薄膜替換原有源區(qū)的傳統(tǒng)鈍化層SiNx 的技術(shù)，通過用金剛石包覆器件層來提高器件性能。

       工藝兼容性：金剛石層生長工藝與GaN器件層工藝存在兼容性問題。例如，金剛石鈍化層通常使用異質(zhì)外延的方法制備，如MPCVD、HFCVD等，這些方法需要高溫、富氫等離子體的條件，在此條件下GaN會發(fā)生嚴重的刻蝕、分解。

       解決方案：為了解決這個問題，通常在GaN器件層上沉積保護層用于保護GaN，且由于金剛石和GaN之間大的熱膨脹失配，需要在低溫環(huán)境中沉積金剛石鈍化層，減小應(yīng)力。國內(nèi)南京電子器件研究所Guo等進一步優(yōu)化工藝，采用柵前金剛石的方法，使用三步金剛石刻蝕技術(shù)和20nm SiN保護層，成功在GaN HEMTs器件的頂端制備了500 nm厚的金剛石鈍化散熱層，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。經(jīng)測試，金剛石/GaN HEMTs的熱阻比傳統(tǒng)SiN/GaN HEMTs低21.4%，截止頻率為34.6GHz，比 SiN/GaN HEMTs提高了1.8%，尤其是電流電壓(VGS=1V)和小信號增益（10GHz）分別提高了27.9%和36.7%。

具有金剛石鈍化層的GaN HEMTs示意圖  圖源：論文

       優(yōu)勢：金剛石層與熱源接近，能夠顯著提高散熱效率。

       問題：由于金剛石膜沉積溫度低，導(dǎo)致其晶體質(zhì)量不高，無法發(fā)揮金剛石導(dǎo)熱率高的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中還需要進一步研究和改進工藝，以提高金剛石膜的晶體質(zhì)量，更好地發(fā)揮其散熱優(yōu)勢。

       2、金剛石襯底外延技術(shù) 

       技術(shù)概述：金剛石襯底外延技術(shù)是一種用于改善散熱需求的技術(shù)，與金剛石襯底異質(zhì)外延GaN技術(shù)類似，存在熱膨脹系數(shù)失配和晶格失配的問題，需要使用額外的緩沖層緩解失配。

       緩沖層研究：Pantle等研究了單晶金剛石取向和緩沖層對GaN質(zhì)量的影響，在 (111) 單晶金剛石、(001) 單晶金剛石和具有 AlN 緩沖層的 (001) 單晶金剛石上使用 MBE 工藝選擇性沉積了GaN納米線，如下圖所示。結(jié)果顯示在 (111) 金剛石上生長的 GaN 納米線具有一致的形貌，在 (001) 金剛石上生長的GaN納米線有多重形核和聚結(jié)，而在具有 AlN 緩沖層的 (001) 金剛石上生長的GaN納米線有最一致的形貌，表面光滑，生長偏轉(zhuǎn)角度小，且缺陷最少。Xu等在多晶金剛石上使用MOCVD工藝生長了GaN薄膜，發(fā)現(xiàn)在具有2.5nm h-BN 插入層和1000°C 低溫 AlN 層時GaN層晶體質(zhì)量最好，相比沒有h-BN插入層的GaN層，其表面光滑，(002) 搖擺曲線的半峰全寬從 4.67° 降低到 1.98°。

用于在多晶金剛石上生長晶體GaN的工藝步驟  圖源：論文

       工藝結(jié)合研究：Ahmed 等結(jié)合了GaN異質(zhì)外延金剛石技術(shù)和金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)，在GaN表面使用PECVD沉積一層SiNx保護層，而后使用納米金剛石顆粒和光刻工藝相結(jié)合的方法，經(jīng)過一系列過程在SiNx保護層上選擇性的沉積多晶金剛石層，刻蝕掉未被金剛石覆蓋的SiNx保護層部分，暴露出GaN層，之后在暴露的GaN和金剛石上層使用優(yōu)化的MOCVD工藝橫向外延過生長GaN層，再生長GaN層質(zhì)量比原始 GaN有更好的結(jié)晶度和更低的缺陷密度。但由于金剛石與GaN熱膨脹系數(shù)失配較大，以及多晶金剛石的粗糙表面 (RMS>30nm)，在金剛石與GaN之間出現(xiàn)了孔隙和空洞，進一步降低金剛石表面粗糙度也許可以獲得完全結(jié)合的界面。

       總結(jié)與展望

       1、GaN異質(zhì)外延金剛石技術(shù)優(yōu)勢在于金剛石與GaN結(jié)合強度高，結(jié)合均勻性好，但是由于金剛石與GaN之間的熱膨脹失配和晶格失配，冷卻后金剛石與GaN之間熱應(yīng)力大，可能導(dǎo)致分層或外延層開裂，還存在保護層、金剛石形核層熱阻高的問題，可以從金剛石低溫沉積以及提高形核層晶粒尺寸、減小形核層厚度入手，同時探索新型保護層材料和保護層制備工藝。

       2、金剛石異質(zhì)外延GaN技術(shù)優(yōu)勢在于可以使用大尺寸高導(dǎo)熱率金剛石作為散熱層襯底，但是也存在熱膨脹失配和晶格失配的問題，同時緩沖層熱阻高，可以從開發(fā)新型緩沖層或多層緩沖層入手，以減小熱應(yīng)力和緩解晶格失配。 

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