GaN-HEMT以高效率提供高射頻輸出功率而聞名。由于這些特性，這類晶體管可以顯著改善微波到毫米波無線電通信和雷達系統的性能。這些HEMTs可用于氣象雷達系統、監測和預報局地強降水，以及5G系統，提供毫米波段的通信。

對GaN-HEMT來說，另一個機會是作為傳統磁控管的繼承者，在微波爐中提供加熱。這種改進將開創一個創新的、緊湊型微波加熱的時代。轉向HEMTs將通過僅用微波能量照射加熱區域來抑制浪費的能量消耗。

大多數商用RF-GaN基hemt是在SiC襯底上制備的。使用該基礎，GaN的晶體質量高于藍寶石和硅上的晶體質量，而襯底將高導熱率與優異絕緣結合在一起（見表1，用于對GaN的不同襯底進行更詳細的比較）。

全世界都在努力將GaN-HEMT的輸出功率和效率提高到一個新的高度，因為這將導致系統性能的進一步提高。不過，這并不容易，因為GaN-HEMTs受到電流崩潰的困擾，這大大降低了排水效率。這種疾病的主要原因是電子俘獲，發生在緩沖層和GaN與鈍化膜之間的界面，通常是SiN（見圖1）。這一問題的根本原因是由于在晶格不匹配的襯底上生長而引起的緩沖層中位錯的高密度。

在獨立GaN上生長外延層是降低位錯密度的有效途徑。該襯底的位錯密度為 106 cm-2 或更小，使得與GaN襯底相比，GaN外延層的位錯密度降低至少兩個數量級。

直到最近，由于GaN的高導電性，切換到GaN襯底還沒有那么吸引人。但最近這種情況發生了變化，現在鐵摻雜已經使半絕緣GaN的生產成為可能。盡管基板很小，直徑只有2英寸，但它們可以大大減少電流崩潰的程度。

GaN基片的致命弱點是導熱系數低。在230 W m-1 K-1時，它幾乎是SiC的一半。這是一個顯著的弱點，因為它會導致設備性能和可靠性的下降。當HEMTs用于微波加熱時，這個問題尤其嚴重，因為這需要設備的連續運行，并增加熱輻射的程度。

表一：GaN-HEMTs基板的比較。

解決這個問題的是富士通和富士通實驗室的團隊。最近，利用熱分析的見解，我們已經證明背面處理可以改善這個裝置的熱管理。

熱模擬

為了優化GaN-on-GaN器件的熱管理，我們首先模擬了輸出功率為幾十瓦的橫向HEMT。這種方法的優點是，它可以快速確定最佳的設備結構和后續過程，而不是基于原型的迭代方法。

在我們開始模擬之前，我們測量了用HVPE空穴輔助分離法生長的半絕緣GaN（0001）襯底的熱導率。采用周期加熱法測定了237 W m-1 K-1半絕緣GaN基片的熱導率。這個值與其他組最近的測量值非常一致。

圖1。典型GaN-on-SiC和GaN-on-GaN結的橫截面。

我們的模擬考慮了在原生襯底上的GaN外延層，其背面涂有一層AuSn，附著在銅上（見圖2（a））。在HEMT中，大部分熱量是在柵電極的漏極邊緣產生的，在那里電場濃度達到峰值。為了嘗試和復制這種情況，我們引入熱源，選擇與柵電極尺寸匹配的尺寸。每個熱源的功率相當于10w/mm的HEMT，工作效率為58.8%。我們改變這些光源的寬度，但將它們的長度和高度分別定為0.5微米和0.1微米。在我們的模擬中，這些源被放置在GaN外延層的頂部，并且我們改變它們之間的間距以及它們的數量。

為了確保我們的模擬盡可能真實，我們考慮了在原生襯底上生長GaN和在SiC上生長GaN之間的差異。GaN在GaN上的生長保證了晶格匹配，因此不需要AlN成核層，我們可以假設GaN外延層中的位錯密度與GaN襯底中的位錯密度一樣低?；谶@些考慮，我們對外延層和襯底之間的界面熱阻采用極低的值-我們使用 1 × 10-10 m2 K W-1，并且我們將GaN外延層的熱導率設置為 230 W m-1 K-1，其近似等于GaN襯底的熱導率。

圖2。GaN-HEMT功率放大器的模擬結構（a）和模擬熱分布（b）的一個例子。

對于SiC上的GaN，模擬結果明顯不同。在SiC襯底上生長GaN時，在緩沖層和SiC襯底之間往往插入AlN成核層。另一個關鍵區別是GaN外延層的位錯密度比GaN-on-GaN高出約兩個數量級。為了在我們的模型中捕獲所有這些，我們選擇了一個更高的界面熱阻值-我們使用2.5 × 10-8 m2 K W-1并且我們將GaN外延層的熱導率降低到130 W m-1 K-1。為了確定溫度上升，我們計算了模擬熱分布的最高溫度和銅散熱器在60°C下的最大溫差（見圖2（b））。

我們發現，對于30μm的熱源間距，將GaN襯底減薄到100μm可將溫升降至最低（見圖3（a））。但要注意的是，隨著熱源寬度的增加，GaN-on-GaN的溫升可以超過GaN-on-SiC的溫升。這表明GaN-on-GaN可以很容易地充滿熱量。

這是個問題嗎？盡管乍一看，我們已經證明GaN-on-GaN比GaN-on-SiC具有更高的熱管理潛力。當熱源間距超過40μm時，GaN-on-GaN的溫升比GaN-on-SiC的溫升受到的抑制更大（見圖3（b））。

圖3。GaN-on-GaN和GaN-on-SiC的溫升模擬比較：（a）襯底厚度依賴性，（b）柵間距依賴性。

要理解為什么會出現這種情況，需要考慮傳熱機制的作用。當熱源間隔小于30μm時，產生的熱量干擾GaN外延層。從這里開始，熱量傳遞到基板并沿平行于熱源的方向擴散（見圖4（a））。在這種情況下，SiC襯底比GaN襯底更為可取，因為它具有更高的熱導率。

當熱源之間的間距超過40μm時，得出了不同的結論。在此情況下，熱干擾減小，并且在源之間的GaN外延層中有效地傳播熱（見圖4（b））。

兩種操作模式之間的交叉發生在哪里？當熱源之間的間距超過其寬度的三分之一時，GaN-on-GaN比GaN-on-SiC具有更好的散熱性能，這是由于GaN外延層具有更高的熱導率。

圖4。從設備頂部看，傳熱機制的差異。

這一發現對許多不同的GaN-on-GaN結構有一定的啟示。它應該影響橫向GaN在GaN-HEMTs上的發展，也影響垂直GaN器件的制作。這些結果促使我們的團隊開發一種GaN基片減薄工藝，以幫助GaN-on-GaN HEMTs中的散熱。

背面處理

一般來說，GaN基片對硬度的敏感度低于SiC基片。因此，我們可以使用我們的碳化硅通過基板通孔（TSV）過程時，我們的GaN基板后磨。為此，在開始后磨之前，我們用粘合劑將2英寸GaN基板連接到4英寸藍寶石支架上。

我們的熱模擬結果使我們將處理過的GaN襯底的厚度目標定為小于150μm。我們分兩步實現這一點：首先使用粗研磨機，以大約25μm/m in的速率去除材料；然后使用細研磨機，以1μm/min的速率工作。使用此方法，總厚度研磨時間只有15分鐘。

圖5。后磨和化學機械拋光（CMP）后處理的三種GaN基片的厚度。

后磨實現了145μm的目標厚度和極好的厚度均勻性-在±0.6%范圍內（見圖5）。我們處理了其中三個薄晶片，這項任務表明我們有一個穩定、可控的過程。原子力顯微鏡發現了表面的典型劃痕。我們發現，在晶圓的中心，研磨痕跡是隨機的，但在頂部，這些痕跡是在一個方向上對齊的?；?μm正方形的掃描，平均表面粗糙度小于2nm。

不幸的是，后磨導致晶圓邊緣出現裂紋（見圖6（a））。這是磨削碳化硅時從未出現過的問題。我們將此問題歸因于GaN襯底比SiC更脆，晶圓邊緣由于后磨而變成刀形。沒有理由報警，因為我們可以通過修剪晶圓的邊緣來消除裂紋。

圖6。背面研磨（a）和化學機械拋光（CMP）（b）后晶圓邊緣的照片和示意橫截面。

為了改善后磨GaN的光潔度，我們使用化學機械拋光。用硅基泥漿拋光2小時后，沒有留下劃痕。該工藝進一步去除了10μm的GaN襯底（見圖5），并消除了晶圓邊緣裂紋（見圖6（b））。拋光的確降低了GaN基片的厚度均勻性（其增加到略低于±1.3%），但仍足以完成手頭的任務。更重要的是改善了表面形貌，平均表面粗糙度降低到0.2nm或更?。ㄒ妶D7）。

我們還調查了一系列的泥漿。通過改進我們的選擇，我們能夠將處理時間縮短三分之二。這樣節省的時間有助于減少GaN-on-GaN器件的生產時間。此外，我們最近增加了我們的專業知識，現在可以將后磨和化學機械拋光產生的GaN襯底的厚度控制在100微米以下。

圖7?；瘜W機械拋光后GaN襯底的原子力顯微鏡圖像。

在拋光過程中，我們發現了較大的微管，其典型直徑為160μm。其中一些是由于拋光過程暴露了嵌入的微管。然而，大多數起源于拋光本身，導致位錯缺陷的擴展。在我們所使用的GaN基片中，位錯密度小于 5 × 106 cm-2。展望未來，這個數字應該會下降，導致微型管道減少，因為GaN基板制造商正在努力制造更好、更低成本、更大的材料。

未來計劃

我們的目標之一是評估GaN-on-GaN-HEMT襯底厚度的熱耗散，該襯底厚度已通過模擬優化。不過，請注意，在設計器件的布局時，不僅要考慮該晶體管的熱特性，還要考慮其高頻性能。

這兩者之間的相互作用并非微不足道。抑制溫升的一種方法是減小柵極寬度，這種方法還可以通過減小相位旋轉來改善高頻特性。降低溫度升高的另一種方法是將柵極進一步分開，但這會由于相移的增加而降低高頻性能。

為了改善GaN-on-GaN的高頻特性，我們已經開始研制GaN-tsv。這種修改減少了源電感，但可能以犧牲傳熱的折衷為代價。傳統的tsv往往不是完全由金屬填充的，它們含有空腔。在考慮傳熱和HEMT的高頻特性時，必須考慮其設計和放置的細節。

通過引入金剛石散熱片，可以實現額外的散熱增益。這是非常有效的，因為其極高的導熱系數2000 W m-1 K-1。我們正在采用這種方法，并且已經成功地使用日本東北大學Takehito Shimatsu的小組開發的原子擴散鍵合工藝將GaN襯底與金剛石鍵合。這一突破極大地改善了GaN-on-GaN器件的散熱性能。

這項研究部分得到了日本環境省的支持，作為創建未來理想社會和生活方式的技術創新項目的一部分。

N. Okamoto et al. CS ManTech Conf.， April 2019， 10.5.

N. Okamoto et al. CS ManTech Conf.， May 2009， 7.1.

T. Shimatsu et al J. Vac. Sci. Technol. B 28 706 （2010）
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