簡單介紹GaN功率器件的散熱，揭示GaN器件散熱瓶頸的原因。 還回顧了近年來國外發(fā)展起來的GaN功率器件芯片級先進散熱技術(shù)，系統(tǒng)總結(jié)分析了各項技術(shù)的散熱機理、設(shè)計方案、工藝途徑和研究進展，闡述了芯片級先進散熱技術(shù)的原理和技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向。
1 GaN 功率器件的熱瓶頸
盡管 GaN 功率器件具有極高的輸出功率能力，但現(xiàn)階段的應(yīng)用（主要為 GaN HEMT 和功放 MMIC）因其熱效應(yīng)問題導致輸出功率密度僅在 3~5 Ｗ/mm，遠低于其實驗室驗證的 42 Ｗ/mm，可以看出，GaN 半導體特有的大功率性能優(yōu)勢遠未充分發(fā)揮。這是由于 GaN 功率器件在工作時其溝道區(qū)域內(nèi)不可避免地產(chǎn)生熱功耗，這種內(nèi)熱功耗的積累導致芯片的結(jié)溫升高，在高源漏偏置電壓下器件就會出現(xiàn)輸出特性衰減現(xiàn)象，被定義為“自熱效應(yīng)”，其功率密度越大，“自熱效應(yīng)”越明顯。因此，如何解決其溝道區(qū)熱功耗積累問題是提升其功率特性的主要途徑。
通常在 GaN 半導體微波功率器件中，其溝道區(qū)位于芯片有源區(qū)的源漏位置下端區(qū)域，其熱功耗的集中主要在溝道區(qū)的柵位置下端偏漏區(qū)域，其尺寸一般小于1 μｍ，只占整個半導體芯片面積的極小的部分，即功耗的集中區(qū)即為熱源區(qū)，如圖 1（a）所示。
針對傳統(tǒng)的 SiC 襯底 GaN 器件，其工作時熱源區(qū)的熱量主要是通過芯片內(nèi)部的 GaN 外延層、SiC 襯底層傳遞至芯片封裝的熱沉上進行耗散，依據(jù) DARPA 的研究若將芯片和封裝熱沉作為一個整體，其芯片內(nèi)部的熱傳遞熱阻占整體傳熱熱阻的 50％以上，如圖1（b）所示。
圖1 GaN 器件熱瓶頸：（a）熱源區(qū)結(jié)構(gòu)；（b）熱分布示意圖
SiC 襯底和 GaN 外延材料本身導熱能力所限制，該結(jié)果也表明即便封裝級的散熱能力極好，也難以解決其芯片在大功率條件下的有源區(qū)熱積累。因此，如何提升 GaN 芯片內(nèi)部的熱傳遞能力，尤其是熱源區(qū)附近的傳熱能力成為解決其功率器件熱瓶頸和實現(xiàn)大功率特性的關(guān)鍵途徑。
由于 GaN 芯片的微納結(jié)構(gòu)尺度和電路的功能性導致其芯片級的散熱技術(shù)開發(fā)極為困難，國際上在電子器件熱管理領(lǐng)域的開發(fā)上升至芯片層級的系統(tǒng)研究最早是在 2011 年，由美國 DARPA 進行頂層的項目設(shè)計和牽引支助，其目的解決 GaN 器件的熱瓶頸問題。從目前各研究結(jié)構(gòu)報道的技術(shù)途徑來講，主要分為兩類：一是將高導熱材料與芯片片內(nèi)的熱源區(qū)進行集成，增大芯片內(nèi)部的熱傳遞能力，有效抑制熱積累，屬于被動散熱技術(shù)；二是將液體引入芯片內(nèi)部的熱源區(qū)附件，通過和液體的熱交換，有效將熱源區(qū)的熱量帶走，該技術(shù)屬于主動散熱技術(shù)。主動散熱和被動散熱途徑因結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝開發(fā)的不同分為以下四大類。
金剛石襯底 GaN 器件散熱技術(shù)最開始源于 2011年 DARPA 啟動的 NJTT（Near-junction thermal transport）熱管理項目，其概念是利用高熱導率的金剛石材料替換傳統(tǒng) GaN 大功率器件的 SiC 襯底，增大其芯片內(nèi)部的熱傳輸能力，旨在使其輸出功率密度達到傳統(tǒng)的芯片 3 倍以上，解決 GaN 近結(jié)區(qū)的熱積累，提升其器件的大功率特性和可靠性，被認為是下一代的 GaN 器件的[敏感詞]選擇。
然而該技術(shù)的實現(xiàn)依然面臨挑戰(zhàn)，主要包含三個方面：1）從原有襯底上將 GaN 外延層進行高質(zhì)量、完整性的剝離技術(shù)；2）在 GaN 外延層上進行 100 μｍ 的金剛石襯底生長或異質(zhì)鍵合的技術(shù)；3）實現(xiàn)超低的生長或異質(zhì)鍵合的界面熱阻 （GaN/Diamond）。
針對上述的技術(shù)挑戰(zhàn)，多組研發(fā)團隊開展深入研究，以求技術(shù)突破，目前主要有以下兩個途徑。
基于 GaN 外延生長金剛石技術(shù)。利用該技術(shù)實現(xiàn)金剛石襯底 GaN 器件是由 Raytheon 和 TriQuint 的研發(fā)團隊提出，其技術(shù)過程為利用 Si 基 GaN 外延層，采用臨時鍵合將 Si 襯底及其高界面熱阻層（GaN/Si）移除，隨后在 GaN 外延層上直接生長 100 μｍ 的金剛石多晶材料，實現(xiàn)金剛石襯底的 GaN 結(jié)構(gòu)，如圖 2（a）和（b）所示。
圖2 金剛石襯底 GaN 直接生長技術(shù)：（a）工藝過程；（b）樣品；（c）散熱能力
該技術(shù)途徑開發(fā)難點是實現(xiàn)高質(zhì)量的金剛石多晶的生長，其研發(fā)團隊采用 HFCVD 和 MPCVD 方式生長技術(shù)，并引入幾納米的過渡層，近而保證金剛石及其和 GaN 界面的質(zhì)量，實現(xiàn)其襯底的高熱導和界面的低熱阻特性。
Raytheon 利用該技術(shù)成功研制出金剛石襯底 GaN HEMT，在 RF 模式下實現(xiàn)了 3.87 倍于傳統(tǒng) SiC 襯底的 GaN 器件的功率密度［如圖2（c）所示］，且其金剛石和界面熱阻可低至 29 m2K/GＷ。TriQuint 團隊也報道了其研究成果，在 DC 模式下，研制的金剛石襯底 GaN 晶體管的輸出功率是其傳統(tǒng) SiC 襯底和 Si 襯底的 2.2 倍和 3.4 倍。
可以看出該技術(shù)在散熱能力方面體現(xiàn)出極為突出的優(yōu)勢，但是無論 Raytheon 和 TriQuint 的研究結(jié)果都遇到了金剛石襯底 GaN 晶體管的高漏電現(xiàn)象，該現(xiàn)象導致低的增益和擊穿電壓，限制了其大功率高效能的應(yīng)用。其研究報道顯示導致該現(xiàn)象的原因尚不完全清楚，但可以通過其工藝和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化降低該漏電現(xiàn)象，且認為以 SiC 基 GaN 外延層制備生長的金剛石襯底 GaN 器件會有效提升該缺陷，是其研發(fā)團隊后續(xù)探索的問題。
基于異質(zhì)鍵合技術(shù)。利用該技術(shù)實現(xiàn)金剛石襯底 GaN 器件的途徑是由 BAE Systems 的研發(fā)團隊提出和開發(fā)，其技術(shù)過程為利用 SiC 基 GaN 外延層，采用臨時鍵合將 SiC 襯底及其界面熱阻層（GaN/SiC）移除，隨后利用異質(zhì)鍵合的技術(shù)將 GaN 外延層和金剛石多晶襯底進行直接粘接，近而實現(xiàn)金剛石襯底的 GaN 結(jié)構(gòu)，如圖 3（a）所示。
圖3 金剛石襯底 GaN 異質(zhì)鍵合技術(shù)：（a）工藝過程；（b）散熱能力
該技術(shù)途徑開發(fā)難點是實現(xiàn)低溫、高質(zhì)量界面的異質(zhì)鍵合工藝開發(fā)，其研發(fā)團隊采用的是在 GaN 外延層和金剛石襯底上分別蒸發(fā)粘接介質(zhì)，在特定的工藝條件下進行異質(zhì)鍵合，為了保證其鍵合質(zhì)量，其兩個鍵合面的粗糙度要求小于 1nm，其鍵合過程中的溫度可低至 150℃，充分保證了該技術(shù)和器件制備技術(shù)的兼容性，但是其鍵合工藝和鍵合介質(zhì)并未報道。
依據(jù)上述的設(shè)計途徑， BAE Systems 成功研制出金剛石襯底 GaN HEMT，如圖 3（b）所示，實現(xiàn)了 11Ｗ/mm 的 RF 輸出功率密度，是該結(jié)構(gòu)下傳統(tǒng) SiC 襯底 GaN 器件的總輸出功率密度的 3.6 倍。
該技術(shù)優(yōu)勢是其金剛石襯底可以單獨制備，有效保證其金剛石襯底的高導熱特性，但其散熱能力嚴重受鍵合界面層的質(zhì)量影響，其最小值可達 35 m2 K/GW，相對于直接生長技術(shù)，該界面熱阻較高，也是后續(xù)該技術(shù)的研究重點。
金剛石嵌入式散熱柱技術(shù)也是基于 NJTT 熱管理項目，其概念是將高熱導率的金剛石材料嵌入到 GaN 器件有源區(qū)下端的 SiC 襯底的中，使金剛石接近熱源端，使熱源區(qū)域熱量通過金剛石散熱柱有效熱擴散，進而解決 GaN 近結(jié)區(qū)的熱積累，其結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。
圖4 （a）熱設(shè)計結(jié)構(gòu)；（b）制備工藝
該技術(shù)主要是由 Northrop Grumman AS 提出并進行探索開發(fā)，其技術(shù)路徑是利用 SiC 基 GaN 器件，在其有源區(qū)下端的區(qū)域?qū)?SiC 襯底進行深度刻蝕，并采用生長的技術(shù)對刻蝕孔進行金剛石材料的生長，實現(xiàn)金剛石嵌入式散熱柱結(jié)構(gòu)。
該散熱結(jié)構(gòu)可以認為是金剛石襯底 GaN 散熱技術(shù)的一種妥協(xié)，不改變 SiC 襯底 GaN 的結(jié)構(gòu)，僅在熱源區(qū)下端嵌入金剛石柱，可有效解決金剛石襯底 GaN 結(jié)構(gòu)因整片轉(zhuǎn)移、異質(zhì)鍵合或生長引起的 GaN 外延層的質(zhì)量、界面熱阻及應(yīng)力等技術(shù)問題。但從理論上分析該技術(shù)在散熱能力和效果上相對金剛石襯底 GaN 散熱結(jié)構(gòu)有一定差距。
目前 Northrop Grumman AS 對該技術(shù)的實現(xiàn)工藝進行了開發(fā)，如圖4（b）所示，其關(guān)鍵技術(shù)是微米級刻蝕孔的金剛石散熱柱的生長，和美國 Naval Research Laboratory 合作開發(fā)了 MPCVD 的生長技術(shù)，采用種子層引晶生長途徑解決其高徑深比的金剛石柱生長問題，其金剛石和 SiC 襯底接觸區(qū)域的界面熱阻低至 9.5 ｍ2 K/GW，金剛石散熱柱的熱導率高達 1350 Ｗ/mk，遠高于其 SiC 襯底的理論熱導率 490 Ｗ/mk。但是到目前為止，Northrop Grumman AS 并未有金剛石嵌入式散熱柱結(jié)構(gòu) GaN 器件的散熱試驗驗證報道。
高導熱鈍化層散熱技術(shù)是由美國 Naval Research Laboratory 在 2012 年繼 DARPA 的實施的芯片級熱管理之后提出的，目的也是解決 GaN 器件熱積累，提升其大功率特性和高可靠性問題。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 5（a）所示，是利用金剛石薄膜材料替換原有源區(qū)的傳統(tǒng)鈍化層 SiNx 材料，利用金剛石薄膜的高導熱特性，增加其熱源區(qū)的橫向熱傳遞能力，有效避免有源區(qū)的熱積累。
圖5 （a）熱設(shè)計結(jié)構(gòu)；（b）制備工藝；（c）散熱能力
該技術(shù)的優(yōu)勢是并不改變現(xiàn)有的 GaN 器件的制備技術(shù)，僅在現(xiàn)有的技術(shù)上增加高導熱薄膜鈍化工藝即可。該技術(shù)主要是由 Naval Research Laboratory 提出，并聯(lián)合 University of Bristol、Universiddad Politécnica de Madrid 及 Massachusetts Institue of Technology 等高校和研究機構(gòu)共同探索開發(fā)，其采用的技術(shù)路徑是基于傳統(tǒng)的 Si 基 GaN 器件，在有源區(qū)的柵兩側(cè)采用 ＭPCVD 的生長技術(shù)進行納米級金剛石薄膜層的生長，實現(xiàn)高導熱鈍化層散熱結(jié)構(gòu)，如圖 5（b）所示。并制備了對應(yīng)的 GaN 器件，驗證實現(xiàn)了 10 Ｗ/mm 功率密度，在 5 Ｗ/mm 功率時該散熱結(jié)構(gòu)比常規(guī)的 GaN 器件結(jié)溫降低 20％，隨著功率密度的增大其散熱優(yōu)勢愈加明顯［如圖 5（c）所示］。與此同時，該研究團隊在該研究基礎(chǔ)上正在嘗試有源區(qū)整個柵結(jié)構(gòu)也采用金剛石材料來制備，以求達到更為突出的散熱能力。
片內(nèi)微流冷卻散熱技術(shù)源于 2013 年 DARPA 啟動的 ICECool（Intra-chip embedded cooling）熱管理項目，其概念是在芯片的襯底中直接制造微流道，將流體引入其中進行交換散熱。其目的是針對高性能大功率雷達和超級計算中心的發(fā)展應(yīng)用，旨在提升其芯片的熱傳輸特性，使其滿足 1kW/cm2 的散熱能力。由于該技術(shù)的創(chuàng)新性和顛覆性極大，其微流道的設(shè)計、管控技術(shù)、及其工藝開發(fā)的途徑較多，因此 DARPA 支助的團隊較多，且每組團隊針對的技術(shù)問題和實現(xiàn)的途徑不同，目前，該技術(shù)的研究開發(fā)主要體現(xiàn)為以下三種：
（1）基于 SiC 襯底的片內(nèi)微流散熱技術(shù)。該技術(shù)途徑由 Lockheed Martin 研發(fā)團隊提出，其過程是在 SiC 襯底的內(nèi)部刻蝕微流道，并采用單項流進行散熱，如圖6 所示。其技術(shù)管控途徑的設(shè)計是利用 SiC 襯底背面和熱沉的流道相結(jié)合的方式，使熱沉中的流體通過分流直接流經(jīng)芯片熱源區(qū)域下端的 SiC 襯底，而內(nèi)部流體則采用的是冷凍液，近而實現(xiàn)芯片近結(jié)區(qū)的高效熱交換冷卻的目的，如圖 6（a）所示。該技術(shù)途徑的難點是熱沉中微流道和襯底中微流道的協(xié)同設(shè)計和微流體的管控，針對該技術(shù)難點的控制報道中并未詳細說明。同時該團隊基于射頻功率器件，將該技術(shù)進行了 GaN ＭMIC 的應(yīng)用驗證研究，滿足其熱源區(qū)域的熱流密度達 30 kＷ/cm2，芯片的熱流密度達1 kＷ/cm2 的目的，達到了５倍于同等結(jié)構(gòu)芯片的熱流密度，實現(xiàn)了在同等功率條件下熱阻降低四倍的效果，如圖 6（b）所示。該技術(shù)的研究主要是減少射頻功率器件的近結(jié)溫度，提升其性能、壽命和可靠性。
圖6 （a）熱設(shè)計結(jié)構(gòu)；（b）散熱能力
（2）基于金剛石襯底的片內(nèi)微流散熱技術(shù)。該技術(shù)途徑由 Raytheon 研發(fā)團隊提出，其技術(shù)途徑設(shè)計為在 GaN 器件柵區(qū)下端的近結(jié)區(qū)的金剛石襯底中進行刻蝕微流道，并采用硅襯底進行鍵合密封和微流管控，微流體通過硅襯底的分流進入芯片的金剛石襯底有源區(qū)熱源附近直接進行熱交換散熱，如圖所示 7（a）所示。其金剛石襯底和硅襯底的互連采用了兩種技術(shù)途徑，如圖 7（b）所示，[敏感詞]種途徑是利用焊料進行焊接密封，焊接層約 2.8 μｍ，可充分保證其微流道的密封性和結(jié)合強度，但存在鍵合焊接應(yīng)力問題；第二種途徑采用氧化物鍵合方式，報道中利用的鍵合層是 SiO2 材料，充分解決了異質(zhì)鍵合的應(yīng)力問題，但存在鍵合熱阻相對較大問題；其上的兩種技術(shù)方案均采用晶圓級鍵合，有效保證后續(xù)量產(chǎn)的生產(chǎn)線的工藝統(tǒng)一性。該團隊也利用了有限元仿真模型對該片內(nèi)微流冷卻技術(shù)的散熱能力進行了計算評估，如圖 7（ｃ）所示，結(jié)果表明保持相同的結(jié)溫，該片內(nèi)微流散熱的結(jié)構(gòu)其功率輸出能力較傳統(tǒng)同結(jié)構(gòu)輸出增大 4 倍以上。但是該仿真評估結(jié)果還未得到相關(guān)報道試驗的驗證，也可能是該設(shè)計方案難度相對較高引起，目前該技術(shù)開發(fā)依然以其工藝實現(xiàn)的探索為主。
圖７ （a）熱設(shè)計結(jié)構(gòu)；（b）制備工藝；（c）散熱能力
（3）基于散熱柱的片內(nèi)微流散熱技術(shù)。該技術(shù)途徑主要由 Northrop Grumman AS 研發(fā)團隊提出，如圖 8（a）所示，采用的是雙散熱結(jié)構(gòu)模式，基于金剛石嵌入式散熱柱結(jié)構(gòu)的散熱模式上再次進行片內(nèi)微流的熱交換散熱技術(shù)開發(fā)。其技術(shù)過程為先將在金剛石散熱柱嵌入到 GaN 器件有源區(qū)下端的 SiC 襯底中，再利用刻蝕工藝對金剛石散熱柱進行微流道制備，如圖 8（b）所示；其特點是一個有源區(qū)對應(yīng)一個微流道，中心位置為微流進口，兩邊位置為微流出口，微流道的尺寸遠大于其有源區(qū)尺寸，并采用硅襯底進行鍵合密封和實現(xiàn)微流管控，其原理是微流體通過硅襯底的入口后進行分流至芯片的金剛石襯底有源區(qū)熱源附近直接進行熱交換散熱，如圖 8（c）所示。該設(shè)計方案的難點是片內(nèi)嵌入金剛石材料存在界面（金剛石/SiC）熱阻控制問題，對金剛石的生長工藝要求較高，同時芯片內(nèi)嵌金剛石的 SiC 襯底和硅基襯底的密封采用是焊料鍵合方式，涉及三種異質(zhì)材料的焊接，其封接層的應(yīng)力控制也是其難點之一。與此同時，該團隊的研究進展較為突出，基于 GaN HEMT 實現(xiàn)了設(shè)計結(jié)構(gòu)的散熱能力驗證，如圖 8（d）所示，其熱源區(qū)域的熱流密度高達達 30 kＷ/cm2，實現(xiàn)４倍于傳統(tǒng)芯片的 RF 功率輸出，且該團隊報道其設(shè)計、工藝開發(fā)及驗證在進一步的改進優(yōu)化中。
圖8 （a）熱設(shè)計結(jié)構(gòu)；（b）制備工藝；（c）器件結(jié)構(gòu)；（d）散熱能力
以美國DARPA開展的NJTT和ICEColl項目為代表，通過對其散熱技術(shù)的探索和研究進行詳細分析，可以看出目前的技術(shù)發(fā)展主要是基于材料與材料集成的研究。導熱性高。 在芯片內(nèi)部，體現(xiàn)在采用金剛石作為GaN的芯片襯底、散熱柱、鈍化層等近結(jié)散熱技術(shù)工藝成熟度較高。 目前已有部分研究通過匹配GaN產(chǎn)品得到驗證。 在RF模式下，實現(xiàn)了傳統(tǒng)SiC襯底3.87倍的[敏感詞]GaN的功率密度。
片上微通量冷卻散熱技術(shù)在實現(xiàn)高功率密度器件方面具有重大顛覆性意義，在熱源區(qū)GaN MMIC實現(xiàn)了30 kW/c㎡的熱流密度，是熱流密度的5倍具有相同結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)芯片。 其應(yīng)用成熟度較低，在片上微流控結(jié)構(gòu)設(shè)計、微流控控制、器件應(yīng)用的集成兼容性方面仍存在差異。 盡管如此，該技術(shù)在大功率GaN器件中的先天優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿θ詡涫荜P(guān)注，將是未來芯片級熱管理的重要發(fā)展方向。
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