氮化鎵（GaN）現在很火。而更火的是，為了進一步提高GaN的性能，不同廠商競相將GaN與其他材料集成在一起。
“無論是在器件級還是系統級，金剛石基氮化鎵都可以提供高導熱率、高電阻率和小尺寸。因此，對商用基站、軍用雷達、衛星通信和氣象雷達等高功率RF應用而言，金剛石基氮化鎵功率放大器都極具吸引力。”Yole Développement技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋說，“十多年來這項創新技術一直在開發中，預計未來幾年，RFHIC、Akash Systems和三菱電機等業界領先廠商會將其投入商用。”
由佐治亞理工學院機械工程系帶領的一個團隊在室溫下采用表面活化鍵合（SAB）方法，通過不同厚度的中間層，將GaN的單晶金剛石鍵合，得到了一系列結果。這種新技術可使GaN達到最好的性能，從而用于功率要求更高的場合。
要將GaN與其他材料集成起來，在技術上仍具挑戰。利用導熱界面和在界面處施加低應力來鍵合金剛石和GaN非常困難，但這種方法使GaN器件可以充分利用單晶金剛石的高導熱性，從而為大功率應用提供出色的冷卻效果。由于采用常溫工藝，因此不會像其他標準工藝那樣因熱膨脹系數不同而產生物理應力問題。
MOSFET已達極限
在電力電子行業，硅MOSFET的性能已經達到了理論極限，現在急需新的技術。GaN是一種具有寬帶隙及高電子遷移率的半導體，已被證明能夠滿足新應用。基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）器件具有出色的電氣特性，是替代高壓和高開關頻率電機控制應用中MOSFET和IGBT的理想器件。
GaN是一種寬禁帶材料，其禁帶（電子從價帶躍遷到導帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多，具體地說，GaN的禁帶大約為3.4eV，而硅的禁帶為1.12eV。由于所需的能量較高，GaN阻擋特定電壓所需的材料比硅要薄10倍，使器件尺寸更小。GaN HEMT的電子遷移率越高，開關速度就越快，因為聚積在異質結界面的電荷可以更快地散去。
GaN具有更快的上升時間、更低的漏源導通電阻（RDS(on)）以及更小的柵極和輸出電容，這些都有助于降低開關損耗，并能在比硅高10倍的開關頻率下工作。功耗減少帶來諸多好處，例如功率分配更高效、產生的熱量更少、冷卻系統更簡單。
GaN器件已廣泛用于光電子、RF和汽車領域。金剛石基GaN的主要市場則是防御雷達和衛星通信，目前也已開始針對5G基站應用進行大規模生產。
GaN和金鋼石特性
當GaN基HEMT的溝道襯底溫度較高時，其最大輸出功率就會受到影響，從而降低系統性能和可靠性。金剛石是目前導熱率最高的材料，通過與GaN集成，可以幫助散去溝道附近產生的熱。
HEMT器件工作時，如果柵極附近出現大的壓降，就會引起局部焦耳熱。發熱區域在幾十納米范圍以內，這會導致局部熱通量超高。GaN基HEMT的局部熱通量值可能比太陽表面的熱通量值大10倍。有效的散熱技術，例如將金剛石的位置盡可能靠近發熱區域，可以有效降低溝道溫度，從而增強器件的穩定性，延長器件壽命。
目前使用的技術包括通過化學氣相沉積（CVD）在GaN上直接生長金剛石，利用介電層作為保護層，因為在金剛石的生長過程中等離子體會損壞GaN。材料及界面的熱阻在熱流量管理中起著舉足輕重的作用，特別是對于高頻開關電源應用。CVD金剛石的生長溫度高于700℃，當器件冷卻至室溫時，界面上產生的應力會使晶片破裂。另外，粘合層增加了GaN-金剛石界面的熱阻，這會削弱金剛石襯底高導熱率帶來的好處。
時域熱反射測量系統（TDTR）
時域熱反射測量系統（TDTR）采用超快飛秒激光泵浦探測技術，利用1至12MHz的調制超快激光來控制熱穿透深度，可以測量GaN-金剛石界面的邊界熱傳導。與泵浦脈沖相比，探測脈沖延遲了0.1到7ns，因而可以測量相對表面溫度的衰減。鎖相放大器可提取光電探測器檢測到的讀信號。溫度變化是根據薄金屬換能器（50~100nm）反射率的變化來測量的。該系統能測量0.1~1000W/m-K的導熱率和2~500m2-K/G的熱邊界電阻，還使用了鈦寶石飛秒激光器。
制造與測試
佐治亞理工大學和明星大學將GaN與金剛石鍵合時，在界面上添加了一些硅原子來增強界面的化學粘合，這降低了接觸面的熱傳導。邊界導熱率（TBC）描述了固-固界面之間的熱傳導，相應系數則表示通過界面傳導熱量的能力。
開發團隊使用了兩個樣本。第一個樣本包含一個GaN薄層（約700nm），它與商用單晶金剛石襯底結合在一起（通過CVD方法生長），有一個厚度約10nm的硅中間層。另一個樣本包含一個厚度約1.88μm的GaN層，它與商用單晶金剛石襯底鍵合在一起（通過高壓高溫方法生長）。打磨GaN，讓它變得足夠薄，以便進行TDTR測量（圖2和圖3）。
使用圖2所示的樣本結構，首先測量不帶GaN層（圖2中右邊區域）的單晶金剛石襯底的導熱率。然后，在帶GaN層的區域進行TDTR測量，得到GaN-金剛石結構的TBC。
Zhe Cheng說：“在GaN層上方進行測量時，之前測得的金剛石襯底導熱率作為已知參數補充TDTR數據，得到TBC。總的來看，未知參數有三個：Al-GaN TBC、GaN導熱率和GaN-金剛石TBC。TDTR是用于測量納米結構和塊體材料熱性能的技術。用一束調制激光使樣本表面發熱，另一束光稍后通過熱反射來檢測表面溫度的變化，并由光電探測器捕獲。”
圖3：（a）金剛石和鍵合GaN-金剛石樣本上的TDTR測量；（b）三個未知參數的TDTR敏感度；（c）在室溫下及調制頻率為2.2MHz時樣本2的TDTR數據擬合
“無論是在器件級還是系統級，金剛石基氮化鎵都可以提供高導熱率、高電阻率和小尺寸。因此，對商用基站、軍用雷達、衛星通信和氣象雷達等高功率RF應用而言，金剛石基氮化鎵功率放大器都極具吸引力。”Yole Développement技術與市場分析師Ezgi Dogmus解釋說，“十多年來這項創新技術一直在開發中，預計未來幾年，RFHIC、Akash Systems和三菱電機等業界領先廠商會將其投入商用。”
由佐治亞理工學院機械工程系帶領的一個團隊在室溫下采用表面活化鍵合（SAB）方法，通過不同厚度的中間層，將GaN的單晶金剛石鍵合，得到了一系列結果。這種新技術可使GaN達到最好的性能，從而用于功率要求更高的場合。
要將GaN與其他材料集成起來，在技術上仍具挑戰。利用導熱界面和在界面處施加低應力來鍵合金剛石和GaN非常困難，但這種方法使GaN器件可以充分利用單晶金剛石的高導熱性，從而為大功率應用提供出色的冷卻效果。由于采用常溫工藝，因此不會像其他標準工藝那樣因熱膨脹系數不同而產生物理應力問題。
MOSFET已達極限
在電力電子行業，硅MOSFET的性能已經達到了理論極限，現在急需新的技術。GaN是一種具有寬帶隙及高電子遷移率的半導體，已被證明能夠滿足新應用。基于GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）器件具有出色的電氣特性，是替代高壓和高開關頻率電機控制應用中MOSFET和IGBT的理想器件。
GaN是一種寬禁帶材料，其禁帶（電子從價帶躍遷到導帶所需的能量）比硅的禁帶要寬得多，具體地說，GaN的禁帶大約為3.4eV，而硅的禁帶為1.12eV。由于所需的能量較高，GaN阻擋特定電壓所需的材料比硅要薄10倍，使器件尺寸更小。GaN HEMT的電子遷移率越高，開關速度就越快，因為聚積在異質結界面的電荷可以更快地散去。
GaN具有更快的上升時間、更低的漏源導通電阻（RDS(on)）以及更小的柵極和輸出電容，這些都有助于降低開關損耗，并能在比硅高10倍的開關頻率下工作。功耗減少帶來諸多好處，例如功率分配更高效、產生的熱量更少、冷卻系統更簡單。
圖1：金剛石基氮化鎵應用一覽
GaN的性能和可靠性與溝道溫度和焦耳熱效應有關。集成到GaN的SiC和金剛石等襯底可以改善熱管理，從而降低器件的工作溫度。對于SiC基GaN器件，溝道溫度降低25度，器件壽命將延長約10倍。
金剛石的導熱率比硅高14倍，而電場電阻則高30倍。由于導熱率高，因此熱傳導性好。金剛石的帶隙為5.47eV，擊穿場強為10MV/cm，電子遷移率為2200cm2/Vs，導熱率約為21W/cmK。
由佐治亞理工大學、明星大學和早稻田大學組成的一個合作開發團隊展示了一種新技術，可讓具有高導熱率的材料更加靠近有源器件中氮化鎵的區域，從而最大限度地提高大功率應用中氮化鎵的性能。GaN器件已廣泛用于光電子、RF和汽車領域。金剛石基GaN的主要市場則是防御雷達和衛星通信，目前也已開始針對5G基站應用進行大規模生產。
GaN和金鋼石特性
當GaN基HEMT的溝道襯底溫度較高時，其最大輸出功率就會受到影響，從而降低系統性能和可靠性。金剛石是目前導熱率最高的材料，通過與GaN集成，可以幫助散去溝道附近產生的熱。
HEMT器件工作時，如果柵極附近出現大的壓降，就會引起局部焦耳熱。發熱區域在幾十納米范圍以內，這會導致局部熱通量超高。GaN基HEMT的局部熱通量值可能比太陽表面的熱通量值大10倍。有效的散熱技術，例如將金剛石的位置盡可能靠近發熱區域，可以有效降低溝道溫度，從而增強器件的穩定性，延長器件壽命。
目前使用的技術包括通過化學氣相沉積（CVD）在GaN上直接生長金剛石，利用介電層作為保護層，因為在金剛石的生長過程中等離子體會損壞GaN。材料及界面的熱阻在熱流量管理中起著舉足輕重的作用，特別是對于高頻開關電源應用。CVD金剛石的生長溫度高于700℃，當器件冷卻至室溫時，界面上產生的應力會使晶片破裂。另外，粘合層增加了GaN-金剛石界面的熱阻，這會削弱金剛石襯底高導熱率帶來的好處。
圖2：團隊部分成員進行測試測量工作
佐治亞理工學院、明星大學和早稻田大學合作研究小組采用兩種改進的SAB技術，通過不同的中間層，在室溫下將GaN與金剛石襯底鍵合在一起。利用氬離子束對兩個待鍵合的表面進行清潔和活化，在其表面產生懸空鍵，然后在室溫下將兩個表面壓在一起，懸空鍵將在界面上形成共價鍵。研究小組在界面上添加了一些硅原子，以增強界面的鍵合。
佐治亞理工學院的Zhe Cheng博士說：“鍵合是在明星大學和早稻田大學（Fengwen Mu和Tadatomo Suga）完成的，然后在佐治亞理工學院（Zhe Cheng、Luke Yates和Samuel Graham）利用時域熱反射法（TDTR）來測量鍵合界面。佐治亞理工學院還完成了相關的熱建模，用來評估鍵合界面對GaN器件的影響。”
TDTR用于測量熱性能。利用高分辨率掃描電子顯微鏡（HR-STEM）和電子能量損失譜（EELS）可以完成材料表征。時域熱反射測量系統（TDTR）
時域熱反射測量系統（TDTR）采用超快飛秒激光泵浦探測技術，利用1至12MHz的調制超快激光來控制熱穿透深度，可以測量GaN-金剛石界面的邊界熱傳導。與泵浦脈沖相比，探測脈沖延遲了0.1到7ns，因而可以測量相對表面溫度的衰減。鎖相放大器可提取光電探測器檢測到的讀信號。溫度變化是根據薄金屬換能器（50~100nm）反射率的變化來測量的。該系統能測量0.1~1000W/m-K的導熱率和2~500m2-K/G的熱邊界電阻，還使用了鈦寶石飛秒激光器。
制造與測試
佐治亞理工大學和明星大學將GaN與金剛石鍵合時，在界面上添加了一些硅原子來增強界面的化學粘合，這降低了接觸面的熱傳導。邊界導熱率（TBC）描述了固-固界面之間的熱傳導，相應系數則表示通過界面傳導熱量的能力。
開發團隊使用了兩個樣本。第一個樣本包含一個GaN薄層（約700nm），它與商用單晶金剛石襯底結合在一起（通過CVD方法生長），有一個厚度約10nm的硅中間層。另一個樣本包含一個厚度約1.88μm的GaN層，它與商用單晶金剛石襯底鍵合在一起（通過高壓高溫方法生長）。打磨GaN，讓它變得足夠薄，以便進行TDTR測量（圖2和圖3）。
使用圖2所示的樣本結構，首先測量不帶GaN層（圖2中右邊區域）的單晶金剛石襯底的導熱率。然后，在帶GaN層的區域進行TDTR測量，得到GaN-金剛石結構的TBC。
Zhe Cheng說：“在GaN層上方進行測量時，之前測得的金剛石襯底導熱率作為已知參數補充TDTR數據，得到TBC。總的來看，未知參數有三個：Al-GaN TBC、GaN導熱率和GaN-金剛石TBC。TDTR是用于測量納米結構和塊體材料熱性能的技術。用一束調制激光使樣本表面發熱，另一束光稍后通過熱反射來檢測表面溫度的變化，并由光電探測器捕獲。”
圖4：（a-b）樣本1的GaN-金剛石界面的剖面圖；（c-d）樣本2的GaN-金剛石界面的剖面圖
科學文獻中報道的GaN-金剛石界面的TBC測量值較高，而且會受中間層厚度的影響。由于界面無序而且有缺陷，GaN-金剛石表現出弱溫度依賴性。該器件的建模顯示出它具有較大的GaN-金剛石TBC（>50MW/m2-K），因而可以充分利用單晶金剛石的高導熱率。其應用范圍涵蓋國防（雷達和衛星通信）和商業（能源基礎設施、自動汽車和5G基站）。
