12月6日至9日美國加利福尼亞州的IEEE半導體接口專家會議(SISC2017)上，日本富士通公司及其子公司富士通實驗室公司(Fujitsu Laboratories Ltd)介紹了據稱是第一個室溫下實現單晶金剛石和碳化硅(SiC)襯(chen)底焊接，關鍵(jian)是這兩者都是硬(ying)質材料(liao)，但具有不同的(de)熱膨(peng)脹(zhang)系數。

　　使用這種技術散熱可以高效率地冷卻高功率氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)，從而使功率放大器在高(gao)功(gong)率水(shui)平下穩定工(gong)作。 

　　傳統GaN HEMT——SiC襯底散熱

　　近年(nian)來，高(gao)(gao)頻(pin)(pin)GaN-HEMT功(gong)率放大器已被(bei)廣泛用(yong)(yong)于(yu)雷達(da)和無線通信(xin)等遠(yuan)程無線電(dian)領域，預計(ji)還將用(yong)(yong)于(yu)天氣雷達(da)觀(guan)測局部暴雨，或者即將出現(xian)的(de)(de)5G毫米波段移動通信(xin)協議。對于(yu)這(zhe)些使用(yong)(yong)微波到毫米波頻(pin)(pin)段雷達(da)或無線通信(xin)系統(tong)，通過提高(gao)(gao)用(yong)(yong)于(yu)傳輸(shu)的(de)(de)GaN-HEMT功(gong)率放大器的(de)(de)輸(shu)出功(gong)率，無線電(dian)波能夠傳播(bo)的(de)(de)距離將增大，可擴展雷達(da)觀(guan)測范圍，實(shi)現(xian)更遠(yuan)和更高(gao)(gao)容量的(de)(de)通信(xin)。

圖(tu)1 傳統GaN HEMT功率放大(da)器

　　圖1中，GaN HEMT功(gong)率放大(da)器的(de)(de)一些輸入功(gong)率會轉化成熱量，然后分散到SiC沉底(di)。由(you)于提(ti)高雷達和無線通信的(de)(de)射(she)程和功(gong)率也增加(jia)了(le)器件(jian)(jian)產生的(de)(de)熱量，這對其(qi)性(xing)能(neng)和可靠性(xing)產生不利影響，因此需(xu)要(yao)將器件(jian)(jian)熱量有效地傳輸到冷卻結構(散熱片)。

　　金剛石-SiC散熱

　　盡管SiC襯(chen)底具(ju)(ju)(ju)有(you)相對較高(gao)的(de)(de)導(dao)熱率(lv)，但是(shi)(shi)對于具(ju)(ju)(ju)有(you)越(yue)來越(yue)高(gao)的(de)(de)功率(lv)輸出的(de)(de)器件而言，需要具(ju)(ju)(ju)有(you)更(geng)好的(de)(de)導(dao)熱率(lv)的(de)(de)材料以有(you)效地將器件熱量(liang)運(yun)送到(dao)冷(leng)卻結構。 單晶(jing)金剛石具(ju)(ju)(ju)有(you)非常好的(de)(de)導(dao)熱性-幾乎(hu)是(shi)(shi)SiC襯(chen)底的(de)(de)5倍 - 被稱為(wei)可(ke)以有(you)效散熱的(de)(de)材料。 

　　金剛石-SiC鍵合方法

　　為(wei)了(le)將單(dan)晶金(jin)剛石鍵合(he)到作為(wei)冷(leng)卻材料(liao)的(de)器(qi)件(jian)上，正(zheng)常的(de)生產過程使用(yong)氬(Ar)束去(qu)除雜質，但(dan)這會(hui)(hui)在表面形成低(di)密(mi)度的(de)受損(sun)層，這會(hui)(hui)削(xue)弱(ruo)單(dan)晶金(jin)剛石可能(neng)形成的(de)鍵合(he)。此外，使用(yong)諸如氮化(hua)硅(SiN)的(de)絕(jue)緣膜(mo)用(yong)于鍵合(he)，由于SiN存在熱阻會(hui)(hui)削(xue)弱(ruo)導熱性。

　　為了(le)防止(zhi)Ar束(shu)在金剛石(shi)表面(mian)(mian)形成損傷層，富士通(tong)開(kai)發(fa)了(le)一種(zhong)技(ji)術，在暴露于Ar束(shu)之前用(yong)極(ji)薄的(de)(de)金屬(shu)(shu)膜保護表面(mian)(mian)(見圖2)。 為了(le)確保表面(mian)(mian)是平面(mian)(mian)的(de)(de)(為了(le)在室溫下良(liang)好的(de)(de)鍵(jian)合(he))，金屬(shu)(shu)膜的(de)(de)厚度需限制在10nm或更(geng)薄。

圖2 與金剛石鍵合的GaN HEMT功率放大器結構

　　這種技術(shu)被證實可(ke)以防(fang)止Ar束(shu)暴露后在金剛(gang)石表面形(xing)成損傷層(圖3)，從(cong)而提高了(le)鍵合強度，從(cong)而使得單(dan)晶金剛(gang)石在室溫下(xia)與SiC襯底鍵合。

圖3 Ar束暴露后的金剛石截面

　　熱阻測試結果

　　在室(shi)溫下測量了(le)粘(zhan)樣品的(de)熱(re)(re)阻，發(fa)現SiC /金(jin)剛石(shi)界面的(de)熱(re)(re)阻極低(di)，為6.7×10-8m2K/W。使(shi)用這(zhe)一測量參數進(jin)行的(de)仿真表明(ming)，該(gai)技術將顯著(zhu)降(jiang)低(di)200W級(ji)GaN-HEMT器件的(de)熱(re)(re)阻，降(jiang)至現有(you)器件的(de)61%(相(xiang)當于(yu)表面溫度(du)降(jiang)低(di)80°C)，見圖4。

圖4 200W級GaN HEMT功率放大器仿真對比

　　因此這(zhe)種技(ji)術(shu)可以用(yong)于(yu)生產具有更高輸出功(gong)(gong)率發射器(qi)的(de)GaN-HEMT功(gong)(gong)率放大(da)器(qi)。 當用(yong)于(yu)天氣雷達等(deng)系統時，用(yong)于(yu)發射器(qi)的(de)GaN-HEMT功(gong)(gong)率放大(da)器(qi)可望(wang)將雷達的(de)可觀(guan)測范圍提高1.5倍，這(zhe)樣可以更快地檢測到能夠(gou)產生突然(ran)暴(bao)雨的(de)積雨云，從而為災難做好準備。

　　富士通計劃

　　富士(shi)通(tong)計劃利用該技術評估GaN-HEMT的(de)熱阻和輸出(chu)性(xing)能，并計劃在(zai)2020年將其應用于高輸出(chu)、高頻功率放大器，應用于氣象雷達和5G無線通(tong)信(xin)系統(tong)。

　　日本防務省提供研究資助

　　該研(yan)究獲得了日(ri)本防務省采購、技(ji)術與后勤局(ALTA)設置的“安全(quan)創(chuang)新科技(ji)計劃”(the Innovative Science and Technology Initiative for Security)。

　　這項研究部(bu)分得到了日(ri)本國防部(bu)收購，技(ji)術和后勤(qin)局(ju)(ALTA)設(she)立的(de)創(chuang)新科(ke)技(ji)安全倡議的(de)支(zhi)持。