GaN na diamencie dla nowych urządzeń mocy

Azotek galu (GaN) to gorący tematy. Jeszcze gorętszy jest wyścig o integrację GaN z innymi materiałami, w celu dalszego poprawienia parametrów tego materiału we współczesnych układach scalonych.

„Technologia GaN-na-diamencie oferuje kluczowe parametry – wysoką przewodność cieplną, wysoką rezystywność elektryczną i niewielkie rozmiary zarówno na poziomie urządzenia, jak i całego systemu. Zalety te sprawiają, że wzmacniacze mocy oparte na GaNie-na-diamencie są bardzo atrakcyjne do zastosowań w systemach RF o dużej mocy, takich jak stacje bazowe telefonii komórkowej, radary wojskowe, a także w systemach komunikacji satelitarnej i radarach pogodowych” wyjaśnia Ezgi Dogmus, analityk ds. technologii i rynku z Yole Développement. „Oczekuje się, że ta innowacyjna technologia urządzeń półprzewodnikowych, rozwijana już od ponad dekady, zostanie wprowadzona na rynek przez wiodące firmy, takie jak RFHIC, Akash Systems i Mitsubishi Electric, w nadchodzących latach” dodał.

Zespół badaczy z School of Mechanical Engineering w Georgia Institute of Technology wyprodukował serię próbek GaNu na diamencie, opartych na łączeniu aktywowanym powierzchniowo w temperaturze pokojowej (SAB) do wiązania GaN i monokrystalicznego diamentu o różnych grubościach międzywarstw. Nowoopracowana technika maksymalizuje parametry azotku galu dla zastosowań w systemach o większej mocy.

Integracja GaN z innymi materiałami jest trudna technicznie. Bardzo trudno jest połączyć diament i GaN tak, aby powstały interfejs dobrze przewodził ciepło i nie generował nadmiernych naprężeń struktury krystalicznej obu materiałów. Modelowanie pozwala urządzeniom GaN w pełni wykorzystać wysoką przewodność cieplną monokrystalicznego diamentu, a tym samym osiągnąć doskonałe chłodzenie dla systemów dużej mocy. Proces produkcji, prowadzony w temperaturze pokojowej, nie wywołuje problemów z fizycznym naprężeniem struktury, ze względu na różny współczynnik rozszerzalności cieplnej, co jest problemem w innych procesach.

MOSFET osiągnęły limit

Przemysł elektro-energetyczny doszedł do teoretycznego limitu parametrów, jakie osiągnąć mogą krzemowe tranzystory MOSFET i teraz musi przejść do nowego materiału. GaN to półprzewodnik o szerokim paśmie wzbronionym i wysokiej ruchliwości elektronów, co okazało się bardzo wartościowe w nowych zastosowaniach tego półprzewodnika. Tranzystory o wysokiej mobilności elektronów (HEMT) oparte na azotku galu oferują doskonałą charakterystykę elektryczną i są dobrym następcą tranzystorów MOSFET i IGBT w aplikacjach sterowania silnikami o wysokim napięciu i wysokiej częstotliwości przełączania.

Jako materiał o szerokim paśmie wzbronionym, pasmo wzbronione GaN (odpowiadające energii wymaganej do przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa) jest znacznie szersze niż w krzemie: wynosi około 3,4 elektronowolta (eV), w porównaniu do ok. 1,12 eV dla krzemu. Ze względu na tak wysoką wymaganą energię dla wzbudzenia elektronu, GaN stosuje się w 10 razy cieńszych warstwach, aby zablokować to samo napięcie co krzem. Skutkuje to znacznie bardziej kompaktowymi urządzeniami. Większa ruchliwość elektronów GaN w elementach HEMT pozwala na większą prędkość przełączania, ponieważ ładunki, normalnie gromadzące się w złączach można szybciej rozproszyć po całym urządzeniu.

Krótsze czasy narastania, niższe wartości rezystancji między drenem i źródłem w stanie załączonym (RDS(on)) oraz zmniejszona pojemność bramkowa i wyjściowa, osiągalne dzięki GaN, przyczyniają się do zmniejszenia strat przełączania i do zdolności do pracy tego materiału przy częstotliwościach przełączania do 10 razy wyższych niż krzem. Zmniejszenie strat mocy przynosi dodatkowe korzyści, takie jak bardziej wydajne przetwarzanie energii, zredukowana ilość wytwarzanego ciepła i prostsze systemy chłodzenia.

Wydajność i niezawodność elementów GaN są związane z niższą temperaturą i efektem ogrzewania dżulowskiego w kanale tranzystora. Substraty takie jak SiC czy diament, zintegrowane z GaN, mogą poprawić odprowadzanie ciepła. Umożliwia to obniżenie temperatury pracy urządzenia. W przypadku urządzeń GaN-na-SiC obniżenie temperatury kanału o 25 stopni może doprowadzić do około dziesięciokrotnego zwiększenia żywotności urządzenia.

Przewodność cieplna diamentu jest 14 razy większa niż krzemu, a rezystancja dla pola elektrycznego jest 30 razy większa. Wysoka przewodność cieplna umożliwia lepsze rozprowadzanie ciepła. Diament ma przerwę energetyczną równą 5,47 eV, pole przebicia na poziomie 10 MV/cm, ruchliwość elektronów 2200 cm² Vs i przewodność cieplną równą ok. 21 W/cmK.

Nowa technika, opracowana przez zespół z Georgia Tech, Meisei University i Waseda University umożliwia umieszczanie materiałów o wysokiej przewodności cieplnej znacznie bliżej obszarów aktywnych urządzeń z azotku galu, maksymalizując w ten sposób parametry tego półprzewodnika w systemach dużej mocy.

Urządzenia GaN mają szerokie zastosowanie w optoelektronice, systemach RF i motoryzacji. GaN-na-diamencie przeznaczony jest do implementacji w systemach radarowych i łączności satelitarnej, na razie trwa także masowa produkcja stacji bazowej 5G z wykorzystaniem tych elementów.

Funkcje GaN i diament

Maksymalna moc wyjściowa elementów HEMT, opartych na GaN, jest ograniczona temperaturą podłoża kanału, co obniża wydajność i niezawodność systemu. Diament jest obecnie materiałem o najwyższym przewodnictwie cieplnym, a integracja go z GaN pomaga rozproszyć ciepło wytwarzane w pobliżu kanału.

„Podczas pracy urządzenia HEMT, duży spadek napięcia w pobliżu bramki, indukuje zlokalizowane ogrzewanie Dżula. Obszar ogrzewający znajduje się w odległości kilkudziesięciu nanometrów, co powoduje bardzo wysoki lokalny strumień ciepła. Wartość lokalnego strumienia ciepła elementów HEMT, opartych na GaN, może osiągnąć ponad dziesięciokrotnie większą wartość niż na powierzchni Słońca. Właściwa technika rozpraszania ciepła, taka jak umieszczenie podłoża z diamentu jak najbliżej gorących punktów, może skutecznie obniżyć temperaturę kanału, zwiększając stabilność i żywotność urządzenia” powiedział dr Zhe Cheng, niedawny absolwent Georgia Tech. Cheng jest pierwszym autorem artykułu opisującego nową techniką; obecnie jest postdokiem na UIUC.

Obecnie stosowane techniki obejmują bezpośredni wzrost diamentu, osadzonego chemicznie z fazy gazowej (CVD) na GaN z warstwą dielektryczną jako warstwą ochronną, ponieważ osadzanie z plazmy jako metoda wzrostu diamentu, może uszkodzić GaN. Kombinacja oporów cieplnych materiałów i interfejsów odgrywa kluczową rolę w zarządzaniu przepływem ciepła, szczególnie w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości i zasilaczach impulsowych. Temperatura wzrostu diamentu CVD wynosi typowo ponad 700°C. Gdy urządzenie ochłodzi się do temperatury pokojowej, naprężenia na interfejsach często powoduję pękanie warstw. Dodatkowa warstwa adhezyjna zwiększa oporność termiczną interfejsu GaN-diament, ale nie jest to problemem z uwagi wysoką przewodność cieplną podłoża diamentowego.

W badaniach przedstawionych przez zespół z Georgia Tech, Meisei University i Waseda University zastosowano dwie zmodyfikowane techniki SAB do wiązania GaN z podłożami diamentowymi, z różnymi warstwami pośrednimi; proces prowadzony był w temperaturze pokojowej. Dwie łączone powierzchnie są najpierw czyszczone i aktywowane przez wiązkę jonów argonu, które wytwarzają wolne wiązania na powierzchniach obu materiałów. Następnie dwie powierzchnie są prasowane razem w temperaturze pokojowej. Wiązania te tworzą następnie połączenia kowalencyjne na interfejsie. W ich pracy, na niektórych interfejsach, dodawane są również atomy krzemu, co poprawić ma międzyfazowe wiązanie

„Wiązanie zostało zrealizowane na uniwersytecie Meisei i Waseda (przez, odpowiednio, Fengwen Mu i Tadatomo Suga). Następnie połączone interfejsy były badane za pomocą metody zwanej termoodbiciem w dziedzinie czasu (TDTR) w Georgia Tech (pracowali nad tym Zhe Cheng, Luke Yates i Samuel Graham). Również na Georgia Tech modelowano strukturę, w celu porównania wyników nowego interfejsu z danymi eksperytemntalnymi” opisuje powiedział Zhe Cheng.

TDTR służy do pomiaru właściwości termicznych materiałów. Pozwala zwłaszcza na pomiar przewodności cieplnej. Ponadto materiał charakteryzowany był za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HR-STEM) i spektroskopii strat energii elektronowej (EELS).

Termorefleksja w dziedzinie czasu (TDTR)

TDTR to czasoworozdzielcza technika optyczna, wykorzystująca dwie wiązki lasera femtosekundowego – tzw. pompę i sondę – do pomiary przewodnictwa cieplnego granicy termicznej interfejsu GaN-diament. Technika ta wykorzystuje ultraszybki laser, modulowany częstotliwością między 1 a 12 MHz do kontrolowania głębokości penetracji termicznej. Impuls sondy jest opóźniany o od 0,1 do 7 ns w porównaniu z impulsem pompy, aby umożliwić pomiar zaniku względnej temperatury powierzchni w tym czasie. Wzmacniacz fazoczuły (lock-in) pozwala na wydobycie z szumu sygnału zmierzonego przez fotodetektor. Zmiana temperatury jest mierzona przez zmiany współczynnika odbicia cienkiego metalowego przetwornika (o grubości ok. 50..100 nm). System może mierzyć przewodność cieplną o wartości pomiędzy 0,1 a 1000 W/m-K i rezystancję granicy cieplnej między 2 a 500 m ²-K/G. W eksperymencie zastosowano tytanowo-szafirowy laser femtosekundowy.

Wykonanie i test

W badaniach opisanych powyżej, GaN został związany z diamentem poprzez dodanie atomów krzemu na interfejsach, wiążących się z niektórymi wolnymi wiązaniami. Miało to pomóc w zwiększeniu przyczepności chemicznej interfejsu i obniżeniu przewodności cieplnej interfejsu. Przewodnictwo cieplne granicy (tzw. TBC) opisuje przewodnictwo cieplne między interfejsami ciało stałe-ciało stałe. Współczynnik ten jest właściwością wskazującą zdolność do przewodzenia ciepła poprzez interfejsy.

Zespół użył dwóch próbek. Pierwsza próbka składała się z cienkiej warstwy GaN (o grubości ok. 700 nm) związanej na komercyjnym monokrystalicznym podłożu diamentowym (hodowanym metodą CVD) z warstwą pośrednią Si o grubości 10 nm. Druga próbka posiadała warstwę GaN o grubości 1,88 μm spojoną z komercyjnym podłożem monokrystalicznym, hodowanym za pomocą wysokociśnieniowej metody wysokotemperaturowej (HPHT). Warstwa GaN była wypolerowana, aby była wystarczająco cienka do pomiarów TDTR (patrz rysunek 1 i 2).

Dla obu próbek zmierzono przewodność cieplną dla poszczególnych podłoży z krystalicznego diamentu w obszarze wolnym od GaN, a następnie przeprowadzono pomiary TDTR na obszarze z warstwą GaN, aby zmierzyć TBC struktury diament-GaN.

„Zmierzona przewodność cieplna podłoży diamentowych została wykorzystana jako znany parametr przy analizie danych TDTR w celu wyodrębnienia TBC podczas pomiaru powyższej warstwy GaN. Ogólnie rzecz biorąc, istnieją trzy nieznane parametry: TBC aluminium-GaN, przewodność cieplna GaN i TBC GaN-diament. TDTR to technika pomiaru właściwości termicznych zarówno materiałów nanostrukturalnych, jak i objętościowych. Modulowana wiązka laserowa ogrzewa powierzchnię próbki, podczas gdy inna, opóźniona wiązka, mierzy zmianę temperatury powierzchni za pomocą termoodbicia i jest rejestrowana przez fotodetektor ” objaśnia Zhe Cheng.

Pomiary TBC interfejsu diament-GaN, należą raczej do wysokich wartości, w porównaniu do innych publikowanych w literaturze naukowej. Mają na nie wpływ m. in. grubość warstwy pośredniej. Ze względu na zaburzenia i wady interfejsów zaobserwowano słabą zależność temperaturową diament- GaN. Modelowanie urządzenia potwierdza stosunkowo dużą wartość TBC tego interfejsu (> 50 MW/m² -K), co może pozwolić na pełne wykorzystanie wysokiej przewodności cieplnej monokrystalicznego diamentu.

Aplikacja elementów wykonanych z tego rodzaju materiałów, obejmuje głównie aplikacje militarne (radary, komunikacja satelitarna) oraz aplikacje energetyczne, samochody elektryczne i stacje bazowe 5G.

Źródło: https://www.eetimes.com/gan-on-diamond-for-next-power-devices/