摘要：美国斯坦福大学与加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）宣称，首次在射频（RF）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）上集成了后处理金刚石 [Rohith Soman et al, Appl. Phys. Express, v18, p046503, 2025

美国斯坦福大学与加州大学圣巴巴拉分校（UCSB）宣称，首次在射频（RF）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）上集成了后处理金刚石 [Rohith Soman et al, Appl. Phys. Express, v18, p046503, 2025]。研究人员认为这是“使用金刚石均热片对X波段GaN HEMT进行热管理的宝贵平台”。

研究团队评论道：“自热会导致沟道温度在栅电极漏极边缘达到峰值，从而降低沟道迁移率并缩短使用寿命。这就需要在采用传统封装级冷却技术的同时，采用器件级冷却方法来降低射频功率放大器中的结温/沟道温度。”

X波段的频率范围在7-12GHz之间，应用于通信和雷达领域。在高输入功率散热不足导致温度升高的情况下，GaN HEMT会出现性能下降和可靠性降低的问题。人们希望利用导热性高的金刚石，将热量从器件结构中传导出去。

研究人员报告称：“我们在器件有源区的顶部和侧壁集成了金刚石。顶部热提取方法通过沉积金刚石绕过生长堆叠中缓冲层/成核层的高电阻，开辟了另一条散热路径。此外，N极性器件的GaN沟道层下面有一层AlGaN势垒层，使得顶部金刚石距离热点不到10nm，效率极高。”

GaN射频器件的开发尤其针对于高功率密度，以实现更远的传输距离和具备低噪声的更优信号质量。

图1：采用“器件优先”方法制造全方位集成金刚石的N极性GaN HEMT器件的步骤顺序。

通过金属有机化学气相沉积（MOCVD），在2英寸半绝缘碳化硅（SiC）衬底上生长出具有氮化铝镓（AlGaN）势垒和原位氮化硅（SiN）结构的GaN HEMT（图1）。研究人员使用了N极性而非Ga极性III族氮化物结构，因为这种材料能提高功率密度、优化二维电子气（2DEG）分布并提高扩展性能。

在沉积金刚石之前，利用MOCVD再生长重掺杂n+-GaN源极/漏极接触、MOCVD SiNx栅极电介质和钼（Mo）栅电极制造了金属-绝缘体-半导体（MIS）HEMT。通过台面蚀刻，对单独器件进行电气隔离。为适应金刚石沉积工艺，该器件以原子层沉积（ALD）二氧化硅（SiO2）保护层为覆盖层。该器件的源极/漏极距离为1μm（LSD），栅极长度为150nm（LG），栅极-漏极间距为400nm（LGD）。

全方位的金刚石覆盖了整个器件，包括台面侧壁和远离台面的刻蚀表面。金刚石是在微波等离子体CVD系统中沉积的。金刚石的平均晶粒尺寸取决于生长温度：500°C时为350nm，700°C时为700nm。

生长温度也会影响源极/漏极（S/D）接触电阻：500°C和700°C时分别为1.4Ω-mm和0.24Ω-mm。500°C和700°C时，源极区和漏极区之间2DEG沟道的对应方块电阻分别为250Ω/□和225Ω/□。这些值与不含金刚石的样品的方块电阻相吻合。

500°C样品接触电阻较高的原因是“金刚石刻蚀过程中对n+再生长GaN造成的损伤”。研究团队表示，目前正在进一步优化刻蚀工艺，以克服这一问题。

经由300nm的金刚石层刻蚀出源极/漏极和栅极，随后沉积钛/金（Ti/Au）金属电极，形成欧姆源极/漏极接触。进一步的钛/金层提供了接地-信号-接地（GSG）焊盘。金刚石反应离子刻蚀工艺经过优化，可选择性地避免刻蚀底层器件层。图案化是通过等离子体增强CVD SiO2硬掩膜实现的。

研究人员报告称：“研究发现，减少源极/漏极接触区的损伤对于降低接触电阻至关重要……为了更好地控制金刚石刻蚀工艺，栅极焊盘区和源极/漏极n+ GaN区的金刚石刻蚀是分开进行的。”

研究团队表示，金刚石沉积是无空隙且保形的，这对于更好地冷却器件至关重要。他们补充道：“器件中的源极/漏极金属悬挂在金刚石层上方，使金属和金刚石层之间的热量更好地流动。”

尽管700°C的刻蚀工艺产生了较低的源极/漏极接触电阻，但其栅极的漏电流较高，无法调节电流，因此无法用作晶体管。

图2：500°C时，沉积金刚石的制备器件的传输特性，其中（a）为线性比例尺，（b）为半对数比例尺。（c）为测量装置示意图，（d）为直流和脉冲条件下输出特性的比较。

在较低温度（500°C）下沉积金刚石层，晶体管的栅极阈值为-8V（常开/耗尽型），峰值跨导为190mS/mm（图2）。导通/关断电流比为105，栅极漏电流仅为10μA/mm。

研究人员评论道：“这表明了低温沉积技术对于成功展示‘器件优先’全方位金刚石集成器件的器件级冷却解决方案的重要性。”

研究人员采用脉冲模式评估了MISHEMT的色散/电流崩塌性能。漏极和栅极脉冲宽度分别为400ns和600ns。脉冲周期为5ms。漏极饱和电流为0.96A/mm。膝电流水平的色散约为20%。

研究团队评论道：“该器件的色散是由于缺乏带有GaN覆盖层的深凹槽结构以及场板结构。”

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