关于技术研究进展之GaN功率器件芯片级热管理

技术交流|Technology Exchange|

2022-07-05 14:50:27 7

简单介绍GaN功率器件的散热，揭示GaN器件散热瓶颈的原因。还回顾了近年来国外发展起来的GaN功率器件芯片级先进散热技术，系统总结分析了各项技术的散热机理、设计方案、工艺途径和研究进展，阐述了芯片级先进散热技术的原理和技术现状及发展方向。

1 GaN 功率器件的热瓶颈

尽管 GaN 功率器件具有极高的输出功率能力，但现阶段的应用（主要为 GaN HEMT 和功放 MMIC）因其热效应问题导致输出功率密度仅在 3~5 Ｗ/mm，远低于其实验室验证的 42 Ｗ/mm，可以看出，GaN 半导体特有的大功率性能优势远未充分发挥。这是由于 GaN 功率器件在工作时其沟道区域内不可避免地产生热功耗，这种内热功耗的积累导致芯片的结温升高，在高源漏偏置电压下器件就会出现输出特性衰减现象，被定义为“自热效应”，其功率密度越大，“自热效应”越明显。因此，如何解决其沟道区热功耗积累问题是提升其功率特性的主要途径。

通常在 GaN 半导体微波功率器件中，其沟道区位于芯片有源区的源漏位置下端区域，其热功耗的集中主要在沟道区的栅位置下端偏漏区域，其尺寸一般小于1 μｍ，只占整个半导体芯片面积的极小的部分，即功耗的集中区即为热源区，如图 1（a）所示。

针对传统的 SiC 衬底 GaN 器件，其工作时热源区的热量主要是通过芯片内部的 GaN 外延层、SiC 衬底层传递至芯片封装的热沉上进行耗散，依据 DARPA 的研究若将芯片和封装热沉作为一个整体，其芯片内部的热传递热阻占整体传热热阻的 50％以上，如图1（b）所示。

图1 GaN 器件热瓶颈：（a）热源区结构；（b）热分布示意图

SiC 衬底和 GaN 外延材料本身导热能力所限制，该结果也表明即便封装级的散热能力极好，也难以解决其芯片在大功率条件下的有源区热积累。因此，如何提升 GaN 芯片内部的热传递能力，尤其是热源区附近的传热能力成为解决其功率器件热瓶颈和实现大功率特性的关键途径。

2 芯片级散热技术

由于 GaN 芯片的微纳结构尺度和电路的功能性导致其芯片级的散热技术开发极为困难，国际上在电子器件热管理领域的开发上升至芯片层级的系统研究最早是在 2011 年，由美国 DARPA 进行顶层的项目设计和牵引支助，其目的解决 GaN 器件的热瓶颈问题。从目前各研究结构报道的技术途径来讲，主要分为两类：一是将高导热材料与芯片片内的热源区进行集成，增大芯片内部的热传递能力，有效抑制热积累，属于被动散热技术；二是将液体引入芯片内部的热源区附件，通过和液体的热交换，有效将热源区的热量带走，该技术属于主动散热技术。主动散热和被动散热途径因结构设计和工艺开发的不同分为以下四大类。

2.1 金刚石衬底 GaN 散热技术

金刚石衬底 GaN 器件散热技术最开始源于 2011年 DARPA 启动的 NJTT（Near-junction thermal transport）热管理项目，其概念是利用高热导率的金刚石材料替换传统 GaN 大功率器件的 SiC 衬底，增大其芯片内部的热传输能力，旨在使其输出功率密度达到传统的芯片 3 倍以上，解决 GaN 近结区的热积累，提升其器件的大功率特性和可靠性，被认为是下一代的 GaN 器件的最佳选择。

然而该技术的实现依然面临挑战，主要包含三个方面：1）从原有衬底上将 GaN 外延层进行高质量、完整性的剥离技术；2）在 GaN 外延层上进行 100 μｍ的金刚石衬底生长或异质键合的技术；3）实现超低的生长或异质键合的界面热阻（GaN/Diamond）。

针对上述的技术挑战，多组研发团队开展深入研究，以求技术突破，目前主要有以下两个途径。

基于 GaN 外延生长金刚石技术。利用该技术实现金刚石衬底 GaN 器件是由 Raytheon 和 TriQuint 的研发团队提出，其技术过程为利用 Si 基 GaN 外延层，采用临时键合将 Si 衬底及其高界面热阻层（GaN/Si）移除，随后在 GaN 外延层上直接生长 100 μｍ的金刚石多晶材料，实现金刚石衬底的 GaN 结构，如图 2（a）和（b）所示。

图2 金刚石衬底 GaN 直接生长技术：（a）工艺过程；（b）样品；（c）散热能力

该技术途径开发难点是实现高质量的金刚石多晶的生长，其研发团队采用 HFCVD 和 MPCVD 方式生长技术，并引入几纳米的过渡层，近而保证金刚石及其和 GaN 界面的质量，实现其衬底的高热导和界面的低热阻特性。

Raytheon 利用该技术成功研制出金刚石衬底 GaN HEMT，在 RF 模式下实现了 3.87 倍于传统 SiC 衬底的 GaN 器件的功率密度［如图2（c）所示］，且其金刚石和界面热阻可低至 29 m²K/GＷ。TriQuint 团队也报道了其研究成果，在 DC 模式下，研制的金刚石衬底 GaN 晶体管的输出功率是其传统 SiC 衬底和 Si 衬底的 2.2 倍和 3.4 倍。

可以看出该技术在散热能力方面体现出极为突出的优势，但是无论 Raytheon 和 TriQuint 的研究结果都遇到了金刚石衬底 GaN 晶体管的高漏电现象，该现象导致低的增益和击穿电压，限制了其大功率高效能的应用。其研究报道显示导致该现象的原因尚不完全清楚，但可以通过其工艺和结构的优化降低该漏电现象，且认为以 SiC 基 GaN 外延层制备生长的金刚石衬底 GaN 器件会有效提升该缺陷，是其研发团队后续探索的问题。

基于异质键合技术。利用该技术实现金刚石衬底 GaN 器件的途径是由 BAE Systems 的研发团队提出和开发，其技术过程为利用 SiC 基 GaN 外延层，采用临时键合将 SiC 衬底及其界面热阻层（GaN/SiC）移除，随后利用异质键合的技术将 GaN 外延层和金刚石多晶衬底进行直接粘接，近而实现金刚石衬底的 GaN 结构，如图 3（a）所示。

图3 金刚石衬底 GaN 异质键合技术：（a）工艺过程；（b）散热能力

该技术途径开发难点是实现低温、高质量界面的异质键合工艺开发，其研发团队采用的是在 GaN 外延层和金刚石衬底上分别蒸发粘接介质，在特定的工艺条件下进行异质键合，为了保证其键合质量，其两个键合面的粗糙度要求小于 1nm，其键合过程中的温度可低至 150℃，充分保证了该技术和器件制备技术的兼容性，但是其键合工艺和键合介质并未报道。

依据上述的设计途径， BAE Systems 成功研制出金刚石衬底 GaN HEMT，如图 3（b）所示，实现了 11Ｗ/mm 的 RF 输出功率密度，是该结构下传统 SiC 衬底 GaN 器件的总输出功率密度的 3.6 倍。

该技术优势是其金刚石衬底可以单独制备，有效保证其金刚石衬底的高导热特性，但其散热能力严重受键合界面层的质量影响，其最小值可达 35 m² K/GW，相对于直接生长技术，该界面热阻较高，也是后续该技术的研究重点。

2.2 金刚石嵌入式散热柱技术

金刚石嵌入式散热柱技术也是基于 NJTT 热管理项目，其概念是将高热导率的金刚石材料嵌入到 GaN 器件有源区下端的 SiC 衬底的中，使金刚石接近热源端，使热源区域热量通过金刚石散热柱有效热扩散，进而解决 GaN 近结区的热积累，其结构如图4（a）所示。

图4 （a）热设计结构；（b）制备工艺

该技术主要是由 Northrop Grumman AS 提出并进行探索开发，其技术路径是利用 SiC 基 GaN 器件，在其有源区下端的区域对 SiC 衬底进行深度刻蚀，并采用生长的技术对刻蚀孔进行金刚石材料的生长，实现金刚石嵌入式散热柱结构。

该散热结构可以认为是金刚石衬底 GaN 散热技术的一种妥协，不改变 SiC 衬底 GaN 的结构，仅在热源区下端嵌入金刚石柱，可有效解决金刚石衬底 GaN 结构因整片转移、异质键合或生长引起的 GaN 外延层的质量、界面热阻及应力等技术问题。但从理论上分析该技术在散热能力和效果上相对金刚石衬底 GaN 散热结构有一定差距。

目前 Northrop Grumman AS 对该技术的实现工艺进行了开发，如图4（b）所示，其关键技术是微米级刻蚀孔的金刚石散热柱的生长，和美国 Naval Research Laboratory 合作开发了 MPCVD 的生长技术，采用种子层引晶生长途径解决其高径深比的金刚石柱生长问题，其金刚石和 SiC 衬底接触区域的界面热阻低至 9.5 ｍ2 K/GW，金刚石散热柱的热导率高达 1350 Ｗ/mk，远高于其 SiC 衬底的理论热导率 490 Ｗ/mk。但是到目前为止，Northrop Grumman AS 并未有金刚石嵌入式散热柱结构 GaN 器件的散热试验验证报道。

2.3 高导热钝化层散热技术

高导热钝化层散热技术是由美国 Naval Research Laboratory 在 2012 年继 DARPA 的实施的芯片级热管理之后提出的，目的也是解决 GaN 器件热积累，提升其大功率特性和高可靠性问题。其结构设计如图 5（a）所示，是利用金刚石薄膜材料替换原有源区的传统钝化层 SiNx 材料，利用金刚石薄膜的高导热特性，增加其热源区的横向热传递能力，有效避免有源区的热积累。

图5 （a）热设计结构；（b）制备工艺；（c）散热能力

该技术的优势是并不改变现有的 GaN 器件的制备技术，仅在现有的技术上增加高导热薄膜钝化工艺即可。该技术主要是由 Naval Research Laboratory 提出，并联合 University of Bristol、Universiddad Politécnica de Madrid 及 Massachusetts Institue of Technology 等高校和研究机构共同探索开发，其采用的技术路径是基于传统的 Si 基 GaN 器件，在有源区的栅两侧采用ＭPCVD 的生长技术进行纳米级金刚石薄膜层的生长，实现高导热钝化层散热结构，如图 5（b）所示。并制备了对应的 GaN 器件，验证实现了 10 Ｗ/mm 功率密度，在 5 Ｗ/mm 功率时该散热结构比常规的 GaN 器件结温降低 20％，随着功率密度的增大其散热优势愈加明显［如图 5（c）所示］。与此同时，该研究团队在该研究基础上正在尝试有源区整个栅结构也采用金刚石材料来制备，以求达到更为突出的散热能力。

2.4 片内微流冷却散热技术

片内微流冷却散热技术源于 2013 年 DARPA 启动的 ICECool（Intra-chip embedded cooling）热管理项目，其概念是在芯片的衬底中直接制造微流道，将流体引入其中进行交换散热。其目的是针对高性能大功率雷达和超级计算中心的发展应用，旨在提升其芯片的热传输特性，使其满足 1kW/cm² 的散热能力。由于该技术的创新性和颠覆性极大，其微流道的设计、管控技术、及其工艺开发的途径较多，因此 DARPA 支助的团队较多，且每组团队针对的技术问题和实现的途径不同，目前，该技术的研究开发主要体现为以下三种：

（1）基于 SiC 衬底的片内微流散热技术。该技术途径由 Lockheed Martin 研发团队提出，其过程是在 SiC 衬底的内部刻蚀微流道，并采用单项流进行散热，如图6 所示。其技术管控途径的设计是利用 SiC 衬底背面和热沉的流道相结合的方式，使热沉中的流体通过分流直接流经芯片热源区域下端的 SiC 衬底，而内部流体则采用的是冷冻液，近而实现芯片近结区的高效热交换冷却的目的，如图 6（a）所示。该技术途径的难点是热沉中微流道和衬底中微流道的协同设计和微流体的管控，针对该技术难点的控制报道中并未详细说明。同时该团队基于射频功率器件，将该技术进行了 GaN ＭMIC 的应用验证研究，满足其热源区域的热流密度达 30 kＷ/cm²，芯片的热流密度达1 kＷ/cm² 的目的，达到了５倍于同等结构芯片的热流密度，实现了在同等功率条件下热阻降低四倍的效果，如图 6（b）所示。该技术的研究主要是减少射频功率器件的近结温度，提升其性能、寿命和可靠性。

图6 （a）热设计结构；（b）散热能力

（2）基于金刚石衬底的片内微流散热技术。该技术途径由 Raytheon 研发团队提出，其技术途径设计为在 GaN 器件栅区下端的近结区的金刚石衬底中进行刻蚀微流道，并采用硅衬底进行键合密封和微流管控，微流体通过硅衬底的分流进入芯片的金刚石衬底有源区热源附近直接进行热交换散热，如图所示 7（a）所示。其金刚石衬底和硅衬底的互连采用了两种技术途径，如图 7（b）所示，*种途径是利用焊料进行焊接密封，焊接层约 2.8 μｍ，可充分保证其微流道的密封性和结合强度，但存在键合焊接应力问题；第二种途径采用氧化物键合方式，报道中利用的键合层是 SiO2 材料，充分解决了异质键合的应力问题，但存在键合热阻相对较大问题；其上的两种技术方案均采用晶圆级键合，有效保证后续量产的生产线的工艺统一性。该团队也利用了有限元仿真模型对该片内微流冷却技术的散热能力进行了计算评估，如图 7（ｃ）所示，结果表明保持相同的结温，该片内微流散热的结构其功率输出能力较传统同结构输出增大 4 倍以上。但是该仿真评估结果还未得到相关报道试验的验证，也可能是该设计方案难度相对较高引起，目前该技术开发依然以其工艺实现的探索为主。

图７（a）热设计结构；（b）制备工艺；（c）散热能力

（3）基于散热柱的片内微流散热技术。该技术途径主要由 Northrop Grumman AS 研发团队提出，如图 8（a）所示，采用的是双散热结构模式，基于金刚石嵌入式散热柱结构的散热模式上再次进行片内微流的热交换散热技术开发。其技术过程为先将在金刚石散热柱嵌入到 GaN 器件有源区下端的 SiC 衬底中，再利用刻蚀工艺对金刚石散热柱进行微流道制备，如图 8（b）所示；其特点是一个有源区对应一个微流道，中心位置为微流进口，两边位置为微流出口，微流道的尺寸远大于其有源区尺寸，并采用硅衬底进行键合密封和实现微流管控，其原理是微流体通过硅衬底的入口后进行分流至芯片的金刚石衬底有源区热源附近直接进行热交换散热，如图 8（c）所示。该设计方案的难点是片内嵌入金刚石材料存在界面（金刚石/SiC）热阻控制问题，对金刚石的生长工艺要求较高，同时芯片内嵌金刚石的 SiC 衬底和硅基衬底的密封采用是焊料键合方式，涉及三种异质材料的焊接，其封接层的应力控制也是其难点之一。与此同时，该团队的研究进展较为突出，基于 GaN HEMT 实现了设计结构的散热能力验证，如图 8（d）所示，其热源区域的热流密度高达达 30 kＷ/cm²，实现４倍于传统芯片的 RF 功率输出，且该团队报道其设计、工艺开发及验证在进一步的改进优化中。

图8 （a）热设计结构；（b）制备工艺；（c）器件结构；（d）散热能力

3 结论

以美国DARPA开展的NJTT和ICEColl项目为代表，通过对其散热技术的探索和研究进行详细分析，可以看出目前的技术发展主要是基于材料与材料集成的研究。导热性高。在芯片内部，体现在采用金刚石作为GaN的芯片衬底、散热柱、钝化层等近结散热技术工艺成熟度较高。目前已有部分研究通过匹配GaN产品得到验证。在RF模式下，实现了传统SiC衬底3.87倍的最高GaN的功率密度。

片上微通量冷却散热技术在实现高功率密度器件方面具有重大颠覆性意义，在热源区GaN MMIC实现了30 kW/c㎡的热流密度，是热流密度的5倍具有相同结构的传统芯片。其应用成熟度较低，在片上微流控结构设计、微流控控制、器件应用的集成兼容性方面仍存在差异。尽管如此，该技术在大功率GaN器件中的先天优势和发展潜力仍备受关注，将是未来芯片级热管理的重要发展方向。

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