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日本防務省資助富士通公司研究金剛石和碳化硅襯底散熱技術

關鍵詞 金剛石 , 碳化硅 , 功率放大器|2017-12-22 09:22:32|來源 中自網
摘要 12月6日至9日美國加利福尼亞州的IEEE半導體接口專家會議(SISC2017)上,日本富士通公司及其子公司富士通實驗室公司(FujitsuLaboratoriesLtd)介紹了據...

  12月6日至9日美國加利福尼亞州的IEEE半導體接口專家會議(SISC2017)上,日本富士通公司及其子公司富士通實驗室公司(Fujitsu Laboratories Ltd)介紹了據稱是第一個室溫下實現單晶金剛石碳化硅(SiC)襯底焊接,關鍵是這兩者都是硬質材料,但具有不同的熱膨脹系數。

  使用這種技術散熱可以高效率地冷卻高功率氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT),從而使功率放大器在高功率水平下穩定工作。 

  傳統GaN HEMT——SiC襯底散熱

  近年來,高頻GaN-HEMT功率放大器已被廣泛用于雷達和無線通信等遠程無線電領域,預計還將用于天氣雷達觀測局部暴雨,或者即將出現的5G毫米波段移動通信協議。對于這些使用微波到毫米波頻段雷達或無線通信系統,通過提高用于傳輸的GaN-HEMT功率放大器的輸出功率,無線電波能夠傳播的距離將增大,可擴展雷達觀測范圍,實現更遠和更高容量的通信。

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圖1 傳統GaN HEMT功率放大器

  圖1中,GaN HEMT功率放大器的一些輸入功率會轉化成熱量,然后分散到SiC沉底。由于提高雷達和無線通信的射程和功率也增加了器件產生的熱量,這對其性能和可靠性產生不利影響,因此需要將器件熱量有效地傳輸到冷卻結構(散熱片)。

  金剛石-SiC散熱

  盡管SiC襯底具有相對較高的導熱率,但是對于具有越來越高的功率輸出的器件而言,需要具有更好的導熱率的材料以有效地將器件熱量運送到冷卻結構。 單晶金剛石具有非常好的導熱性-幾乎是SiC襯底的5倍 - 被稱為可以有效散熱的材料。 

  金剛石-SiC鍵合方法

  為了將單晶金剛石鍵合到作為冷卻材料的器件上,正常的生產過程使用氬(Ar)束去除雜質,但這會在表面形成低密度的受損層,這會削弱單晶金剛石可能形成的鍵合。此外,使用諸如氮化硅(SiN)的絕緣膜用于鍵合,由于SiN存在熱阻會削弱導熱性。

  為了防止Ar束在金剛石表面形成損傷層,富士通開發了一種技術,在暴露于Ar束之前用極薄的金屬膜保護表面(見圖2)。 為了確保表面是平面的(為了在室溫下良好的鍵合),金屬膜的厚度需限制在10nm或更薄。

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圖2 與金剛石鍵合的GaN HEMT功率放大器結構

  這種技術被證實可以防止Ar束暴露后在金剛石表面形成損傷層(圖3),從而提高了鍵合強度,從而使得單晶金剛石在室溫下與SiC襯底鍵合。

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圖3 Ar束暴露后的金剛石截面

  熱阻測試結果

  在室溫下測量了粘樣品的熱阻,發現SiC /金剛石界面的熱阻極低,為6.7×10-8m2K/W。使用這一測量參數進行的仿真表明,該技術將顯著降低200W級GaN-HEMT器件的熱阻,降至現有器件的61%(相當于表面溫度降低80°C),見圖4。

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圖4 200W級GaN HEMT功率放大器仿真對比

  因此這種技術可以用于生產具有更高輸出功率發射器的GaN-HEMT功率放大器。 當用于天氣雷達等系統時,用于發射器的GaN-HEMT功率放大器可望將雷達的可觀測范圍提高1.5倍,這樣可以更快地檢測到能夠產生突然暴雨的積雨云,從而為災難做好準備。

  富士通計劃

  富士通計劃利用該技術評估GaN-HEMT的熱阻和輸出性能,并計劃在2020年將其應用于高輸出、高頻功率放大器,應用于氣象雷達和5G無線通信系統。

  日本防務省提供研究資助

  該研究獲得了日本防務省采購、技術與后勤局(ALTA)設置的“安全創新科技計劃”(the Innovative Science and Technology Initiative for Security)。

  這項研究部分得到了日本國防部收購,技術和后勤局(ALTA)設立的創新科技安全倡議的支持。

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