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上海微系統(tǒng)所在IEDM2024上發(fā)布晶圓級(jí)金剛石基氧化鎵陣列化單晶薄膜及高性能射頻器件制備研究進(jìn)展

發(fā)布時(shí)間:2024-12-19作者來(lái)源:薩科微瀏覽:896

上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI團(tuán)隊(duì)和南京電子器件研究所超寬禁帶半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)合作,在金剛石基氧化鎵異質(zhì)集成材料與器件領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。該研究成果于12月9號(hào)在第70屆國(guó)際電子器件大會(huì)(IEDM 2024)以口頭報(bào)告形式發(fā)表“First Demonstration of Wafer-level Arrayed β-Ga2O3 Thin Films and MOSFETs on Diamond by Transfer Printing Technology”。博士生趙天成、南京電子器件研究所郁鑫鑫高級(jí)工程師、徐文慧助理研究員為本論文共同[敏感詞]作者,徐文慧助理研究員、歐欣研究員、南京電子器件研究所李忠輝研究員為論文共同通訊作者,上海微系統(tǒng)所為[敏感詞]完成單位。


氧化鎵在寬/超寬禁帶半導(dǎo)體材料中熱導(dǎo)率(0.1-0.27 W/m·K)[敏感詞],不到硅材料的1/5,這使得氧化鎵器件在大功率工況下面臨嚴(yán)重自熱效應(yīng)和壽命短等可靠性問(wèn)題。金剛石是自然界已知熱導(dǎo)率[敏感詞]的材料,是大功率、射頻器件的理想熱沉襯底材料,將金剛石用于異質(zhì)集成正在成為大功率器件熱管理的重要研究方向,如圖1所示。然而,金剛石與氧化鎵等功率、射頻半導(dǎo)體材料晶格失配度大,且金剛石晶圓形貌和表面平整度差,這使得通過(guò)直接外延生長(zhǎng)和晶圓鍵合實(shí)現(xiàn)金剛石基異質(zhì)集成材料面臨巨大挑戰(zhàn)。


圖片

圖1氧化鎵高導(dǎo)熱異質(zhì)集成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)


上海微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展XOI晶圓轉(zhuǎn)印技術(shù),在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)陣列化氧化鎵單晶薄膜與1英寸金剛石襯底的異質(zhì)集成,如圖2所示。轉(zhuǎn)移處理后氧化鎵單晶薄膜材料搖擺曲線半高寬為78 arcsec,表面粗糙度為0.35 nm;金剛石/氧化鎵異質(zhì)界面過(guò)渡層厚度小于2 nm,界面熱阻為21.7 m2·K/GW,為目前已報(bào)道最優(yōu)值。基于此制備的射頻器件性能和散熱能力得到顯著提升,器件開(kāi)態(tài)飽和電流高達(dá)810 mA/mm,[敏感詞]振蕩頻率去嵌前達(dá)到61 GHz,為目前報(bào)道[敏感詞]值;相同功率下,器件結(jié)區(qū)[敏感詞]溫度相比氧化鎵同質(zhì)器件降低250℃,散熱能力提升11倍,器件熱阻僅為5.52W·mm/K,極大提升氧化鎵射頻器件性能和散熱能力。該方法不僅成本低、不受晶圓表面質(zhì)量限制,還兼容其他不同尺寸、不同種類(lèi)的XOI異質(zhì)集成薄膜到任意襯底上甚至任意位向的轉(zhuǎn)移。

圖片

圖 2. (a)1英寸金剛石基陣列化氧化鎵單晶薄膜及其制備流程,(b)金剛石基氧化鎵與氧化鎵同質(zhì)薄膜 RF MOSFET器件結(jié)溫和器件熱阻對(duì)比


本研究工作充分證明了晶圓級(jí)金剛石基氧化鎵異質(zhì)集成材料具有優(yōu)異的散熱能力和射頻應(yīng)用前景,是繼硅基、碳化硅基氧化鎵異質(zhì)集成材料(IEDM 2019)后的又一大新突破,將進(jìn)一步推動(dòng)高性能氧化鎵器件的發(fā)展,并為金剛石基異質(zhì)集成材料制備提供新范式。本研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市戰(zhàn)略前沿專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目支持。


免責(zé)聲明:本文采摘自“中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所”,本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn),不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn),只為轉(zhuǎn)載與分享,支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán),轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者,如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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