一种新型复合SiC-金刚石衬底与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案

金刚石材料具有自然界物质中最高的热导率（高达2000 W/m·K），在大功率激光器、微波器件和集成威廉希尔官方网站 等小型化高功率领域的散热均有重要的应用潜力。特别是面向高功率密度GaN HMET的散热管理需求，金刚石材料被视为GaN HEMT功率器件热扩散材料的最佳选择，有望改善其“自热效应”，实现高频、高功率的应用。金刚石-GaN材料制备、结构设计、器件制备和热电等特性测试已成为凝聚态物理、材料科学、表面/界面科学与半导体等领域的交叉研究热点。

山东大学新一代半导体材料研究院徐现刚、彭燕、胡秀飞、葛磊等集合材料、器件团队优势，提出新型复合SiC-金刚石衬底与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案，通过系列工作解决了异质界面多晶成核的问题，实现了在4H-SiC衬底上直接生长多晶金刚石；构建理模型获得了SiC衬底减薄至最佳厚度的方案，制备出由200 μm 4H-SiC和200 μm金刚石组成的Diamond-SiC复合基板；兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技术，在金刚石-SiC复合衬底上制备高质量的GaN外延薄膜，并制备出高性能器件。

与现阶段的GaN-on-SiC工艺相比，改进结构的GaN器件表面温度和热阻均有明显降低。在Tb = 25 ℃时，GaN-on-diamond/SiC器件在20 V时功耗增加了19 %，热阻降低了41 %，表面温度降低了33%。在Tb = 70 ℃高温下，功耗增加了11 %，热阻降低了31 %，表面温度降低了26%。

研究工作提出了利用SiC的结构优势和金刚石的超强导热性能，构建GaN基器件的高效散热衬底的新方案，并在材料生长及机理、理论模拟和器件性能提升做了深入研究，证实了金刚石/ SiC复合衬底在高温下具有稳定的输出特性和可靠性，为解决GaN高功率密度下的自热问题提供了新思路，为下一代大功率器件热管理提供了新策略。

图1.金刚石-SiC-GaN制备流程

图2 Tb = 25 °C 时金刚石-SiC复合衬底和SiC衬底上的GaN器件的I-V曲线

图3 Tb =25 °C时器件表面温度与耗散功率的关系

图 相同耗散功率(Pdiss = 7.2 W mm-1)下，Tb = 25 °C时器件的热像图：(a) GaN-on-SiC；(b) GaN-on-diamond/SiC。 

相关论文发表在Carbon杂志期刊上，山东大学博士研究生胡秀飞为文章的第一作者，彭燕、葛磊和徐现刚为通讯作者。

作者简介

胡秀飞，2019年9月至今，在山东大学新一代半导体材料研究院攻读工学博士学位，材料科学与工程专业，从事半导体材料及器件相关研究工作。主要从事碳化硅/金刚石材料制备及其应用的研究，通过系列工作解决了异质界面多晶成核的问题，完成新型复合SiC-金刚石材料材料生长和表征工作，兼容已建立的SiC基GaN外延和器件制造技术，提出了与GaN器件结合的新工艺流程和制备方案，为解决GaN高功率密度下的自热问题提供了新思路和新策略。

葛磊博士，2023年6月毕业于山东大学凝聚态物理学专业，获理学博士学位。2023年6月至今，在山东大学新一代半导体材料研究院从事博士后研究工作。主要从事碳化硅/金刚石功率器件制备及其应用的研究，制备的高性能紫外探测器领域的金刚石MOSFET及MESFET器件；开拓了新型路线探索金刚石高热导率解决氮化镓器件散热问题。

彭燕研究员，博士生导师。2011年06月毕业于山东大学晶体材料国家重点实验室，获理学博士学位。2017-2018年美国田纳西大学访学。入选2022年 “仲英青年学者”奖励计划。重点研究SiC、金刚石材料及器件的制备、表征及应用研究。承担/参与重点研发、973、核高基及自然科学基金项目等10余项，发表SCI论文40余篇，申请/授权专利30余项。

徐现刚教授，凝聚态物理、半导体材料学教授，博士生导师，现任山东大学新一代半导体材料研究院主任/晶体材料国家重点实验室主任。获教育部长江计划特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，泰山学者特聘专家等荣誉称号。主要研究方向宽禁带超宽禁带半导体材料及器件，半导体激光器等，在国内外发表论文400余篇，被引4000余次。授权发明专利100余项。其主要研发的SiC衬底材料、半导体激光器技术是产学研结合的典范。

附：论文原文：http://www.casmita.com/file/upload/202401/04/093505831.pdf

审核编辑：刘清