美國斯坦福大學和加州大學圣巴巴拉分校（UCSB）宣稱首次在射頻（RF）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）上實現了后處理金剛石集成。研究人員認為，這為使用金剛石散熱片對 X 波段 GaN HEMT 進行熱管理提供了一個“有價值的平臺”。

       團隊評論道：“自熱效應導致溝道溫度在柵極電極的漏極邊緣達到峰值，從而降低了溝道遷移率并縮短了使用壽命。這使得在射頻功率放大器中，除了傳統的封裝級冷卻技術外，還需要采用器件級的冷卻方法來降低結溫/溝道溫度。”

       X 波段的頻率范圍為 7 至 12 吉赫，應用于通信和雷達領域。氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMTs）在溫度升高時可能會出現性能下降和可靠性差的問題，這是由于高輸入功率導致散熱不足所致。人們希望高導熱性的金剛石能夠將熱量從器件結構中導出。

       研究人員報告稱：“我們在器件有源區的頂部和側壁上集成了金剛石。頂部散熱方法為熱耗散提供了一條替代路徑，通過沉積的金剛石繞過生長堆棧中緩沖層/成核層的高電阻。此外，N 極化器件在 GaN 通道層下方放置了 AlGaN 阻擋層；因此，頂部的金剛石距離熱點不到 10 納米，效率極高。”

       氮化鎵射頻器件的開發特別著眼于高功率密度，以實現更遠的傳輸距離和更低噪聲下的更優信號質量。

圖 1：采用“器件優先”方法制造全方位金剛石集成 N 極化 GaN 高電子遷移率晶體管（HEMT）器件所遵循的步驟順序。

       研究人員采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）工藝，在 2 英寸半絕緣碳化硅（SiC）襯底上生長了具有鋁鎵氮（AlGaN）勢壘和原位氮化硅（SiN）結構的氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）（圖 1）。研究人員采用了氮極性而非鎵極性的 III 族氮化物結構，因為這種材料可帶來更高的功率密度、二維電子氣（2DEG）分布以及可擴展性能。

       在金剛石沉積之前，采用金屬-絕緣體-半導體（MIS）高電子遷移率晶體管（HEMT）結構，通過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）再生長重摻雜的 n+ 砷化鎵源/漏極接觸，MOCVD 氮化硅柵極絕緣層以及鉬（Mo）柵極電極。通過臺面刻蝕將各個器件進行電隔離。為金剛石沉積工藝，在器件上覆蓋了一層原子層沉積（ALD）二氧化硅（SiO2）保護層。源極/漏極間距為 1 微米（LSD），柵極長度為 150 納米（LG），柵極與漏極間距為 400 納米（LGD）。

       全方位的金剛石覆蓋了整個裝置，包括臺面側壁以及臺面以外的蝕刻表面。金剛石是在微波等離子體化學氣相沉積系統中沉積的。金剛石的平均晶粒尺寸取決于生長溫度：在 500°C 時為 350 納米，在 700°C 時為 700 納米。

       生長溫度也影響了源漏接觸電阻：500°C 和 700°C 時分別為 1.4 歐姆·毫米和 0.24 歐姆·毫米。源極和漏極區域之間二維電子氣通道的相應方阻分別為 500°C 時 250 歐姆/平方和 700°C 時 225 歐姆/平方。這些值與不含金剛石的樣品的方阻相匹配。

       500°C 樣品的接觸電阻較高，被歸咎于“在金剛石蝕刻過程中對 n+ 再生長的氮化鎵造成的損傷”。該團隊表示，蝕刻工藝正在進一步優化以解決這一問題。

       通過 300 納米的金剛石層蝕刻出源極/漏極和柵極的接觸孔，隨后沉積鈦/金（Ti/Au）金屬電極以形成歐姆源極/漏極接觸。另外一層 Ti/Au 提供了接地-信號-接地（GSG）焊盤。優化了金剛石反應離子蝕刻工藝，使其對蝕刻底層器件層具有選擇性。采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）二氧化硅硬掩模進行圖案化。

       研究人員報告稱：“發現減少源/漏接觸區域的損傷對于實現更低的接觸電阻至關重要……從柵極墊區域和源/漏 n+GaN 區域分別進行金剛石刻蝕，以便更好地控制金剛石刻蝕過程。”

       該團隊表示，金剛石沉積無空洞且均勻，這對于更好地冷卻器件至關重要。“在器件中，源/漏金屬懸垂于金剛石層之上，以促進金屬與金剛石層之間的熱流。”他們補充道。

       盡管 700°C 的蝕刻工藝帶來了較低的源漏接觸電阻，但柵極卻出現了高漏電流，無法調節電流，這使得其作為晶體管毫無用處。

圖 2：在 500°C 下沉積金剛石的制備器件的轉移特性，（a）線性標度和（b）半對數標度。用于比較直流和脈沖條件下輸出特性的測量裝置（c）和（d）。

       對于溫度低于 500°C 的金剛石層，該晶體管的柵極閾值為 -8V（常開/耗盡模式），峰值跨導為 190mS/mm（圖 2）。其導通/截止電流比為 105，柵極漏電流僅為 10μA/mm。

       研究人員評論道：“這表明低溫沉積技術對于成功展示用于器件級冷卻解決方案的‘器件優先’全方位金剛石集成器件的重要性?！?/p>

       研究人員采用脈沖模式來評估 MISHEMT 的分散/電流崩塌性能。漏極和柵極脈沖寬度分別為 400 納秒和 600 納秒。脈沖周期為 5 毫秒。漏極飽和電流為 0.96 安/毫米。在膝點電流水平下的分散度約為 20%。

       該團隊評論道：“此裝置中的分散現象是由于缺少帶有氮化鎵帽層的深凹槽結構以及沒有場板結構所致。”