金刚石基氮化镓：高功率微波射频设计的未来
2020/7/30 17:48:01 材料来源：微波射频网
近十年来，氮化镓（GaN）的研究热潮席卷了全球的电子工业。这种材料属于宽禁带半导体材料，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。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。
随着基于氮化镓（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。采用高热导率金刚石作为高频、大功率氮化镓（GaN）基器件的衬底或热沉，可以降低氮化镓（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。
硅、碳化硅（SiC）、金刚石基GaN对比
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硅基氮化嫁 |
碳化硅基氮化镓 |
金刚石基氮化镓 |
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这种方法比另外两种良率都低，不过它的优势是可以使用全球低成本、大尺寸CMOS硅晶圆和大量射频硅代工厂。因此，它很快就会以价格为竞争优势对抗现有硅和砷化镓技术，理所当然会威胁它们根深蒂固的市场。 |
这是射频氮化镓的“高端”版本，SiC衬底氮化镓可以提供最高功率级别的氮化镓产品，可提供其他出色特性，可确保其在最苛刻的环境下使用。 |
将这两种东西结合在一起是很难的，但是好处也是巨大的：在世界上所有材料中工业金刚石的热导率最高（因此最好能够用来散热）。使用金刚石代替硅、碳化硅、或者其他基底材料可以把金刚石高导热率优势发挥出来，可以实现非常接近芯片的有效导热面。 |
金刚石基氮化镓（GaN）技术
金刚石在目前所知的天然物质中具有最高的热导率，室温下的导热系数高达2000Wm-1K-1，是碳化硅导热系数的四到五倍。作为衬底材料，金刚石可以以数百纳米的尺寸沉积在GaN信道内，使晶体管设备在工作时能够有效散热。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。Felix Ejeckam于2003年发明了金刚石上的GaN，以有效地从GaN晶体管中最热的位置提取热量。其基本理念是利用较冷的GaN放大器使系统更节能，减少浪费。金刚石上的GaN晶片是通过GaN通道或外延将其从原始的Si衬底中剥离下来，而后通过一个35 nm的SiN界面层结合在CVD合成的金刚石衬底上。这种200°C的GaN通道与CVD形成纳米级的金刚石是接近最导热工业材料,它会大大降低放大器的基板和通道之间的温度上升。图1显示了金刚石晶圆片上GaN的制作过程。多年来，许多课题组已经量化了上述的热改善。先将Si基GaN HEMT晶圆片黏贴到一个临时Si载片上，待原始的硅基板被蚀刻掉，然后利用CVD方法在GaN层下方的35 nm的界面层上沉积金刚石。最后，临时的Si载体被蚀刻，最终的金刚石上的GaN晶圆被加工为HEMT或MMIC。
图1：金刚石晶圆片上GaN的制作过程
技术系统影响
与SiC基GaN相比，如果GaN MMIC产生的热量可以降低40%到50%，那么就可以将更大的功率密度压缩到更小的体积空间中。功率是下行数据速率计算的直接参数，功率越高，传送的信息越多。在非常紧凑的空间中，使用金刚石上GaN可以降低对于冷却系统的要求。因为与使用标准的SiC基GaN功率放大器相比，金刚石上GaN的使用可以允许环境温度升高得更高，同时不会降低性能与可靠性。冷却装置的减少也意味着重量和尺寸的减少。
金刚石基氮化镓发明人成立Akash系统公司
2003年，还在Group4 Lab供职的Ejeckam，通过将在硅上生长的GaN外延层转移至合成化学汽相淀积的金刚石衬底上，发明了金刚石基氮化镓。Group4Lab的资产在2013年被戴比尔斯集团成员企业之一的ElemenSix技术公司收购。Felix Ejeckam和TyMitchell于2016年联合成立了位于美国加州旧金山的Akash系统公司，并与韩国RFHIC公司达成一致，共同协商买回了金刚石基氮化镓专利。
金刚石基GaN应用：卫星通信功率放大器
目前而言最先进的商业卫星以100-200Mbps的速度传输于地球，而对于一些先进的大型单一卫星概念目标为1至4Gbps。这些速率数据很大程度受限于制作信号传输器的射频功率放大器。Akash首次建造了一个小型卫星系统（12U），它将初步实现14Gbps的下行数据速率。接下来的demo数据速率将超过100Gbps，而最终目标定为一个普通的卫星的下行速率达到1Tbps。为达到最终目标，他们将使用金刚石上的GaN射频功率放大器。Akash的设计师最近展示了高性能的金刚石基GaN晶体管（简化的功率放大器）。在k波段20GHZ频率下表现出60%的功率附加效率(PAE) (参见图2)。最近由美国国防部高级研究计划局资助，来自佐治亚理工学院、斯坦福大学、加州大学洛杉矶分校和第六元素的一组研究员共同研究GaN器件的温升发现：从GaN通道到衬底底部的温度是变化的，与相同的SiC基GaN器件相比温度降低80℃。这项研究所用的晶圆等同于Akash Systems用的金刚石上GaN。
图2：使用增益为7.9 dB 的2.9 W (5.6 W/mm)HEMT的示例设备得到的PAE为61%，偏置点为24 V。
图3显示了不同类型的金刚石上GaN晶圆的10 finger HEMT从中心到边缘的通道的温度分布。Akash Systems采用“有低热边界阻抗(TBR)的梯度金刚石”制作金刚石上GaN (绿色)；这条曲线呈现152°C峰值温度(第一个峰值)。SiC基GaN在器件上同一点的温度是232℃。
图3：显示了不同类型的金刚石上GaN的10finger HEMT晶圆片的通道中心到边缘的温度分布。
Akash Systems计划在2019年发射一个24公斤12U(36cm x24cm x23cm )的卫星系统进入LEO轨道，它将包含一个以金刚石基GaN功率放大器为基础的20瓦的信号传送器。该系统将展现一个具有里程碑意义的14gbps数据速率，对于这样尺寸的卫星系统是独一无二的。
金刚石基GaN的未来展望
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�；诙嗑Ы鸶帐某牡鬃萍际酢⒒诘ゾЫ鸶帐牟牧现苯油庋蛹际鹾突谀擅捉鸶帐∧さ钠骷砻娓材ぜ际�，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。下一代金刚石基GaN技术将支撑未来高功率射频和微波通信、宇航和军事系统，为5G和6G移动通信网络和更复杂的雷达系统铺平道路。
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