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来源:乔治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)

将宽禁带材料(如氮化镓(GaN))与导热材料(如金刚石)集成的室温键合技术可以提高GaN器件的冷却效果,并通过提高功率水平、延长器件寿命、提高可靠性和降低制造成本来提高性能。该技术可应用于无线发射机、雷达、卫星设备以及其他大功率和高频电子设备。

这种被称为表面活化键合的技术,利用高真空环境中的离子源首先清洁GaN和金刚石的表面,通过产生悬挂键来激活表面。在离子束中引入少量的硅有助于在室温下形成强的原子键,从而使GaN和单晶金刚石直接键合以制备高电子迁移率晶体管(hemt)。

从GaN到单晶金刚石的界面层只有4纳米厚,通过消除纳米金刚石生长留下的低质量金刚石,使得散热效率比最先进的GaN-on-diamond HEMTs高出两倍。目前,金刚石与GaN通过晶体生长技术集成,在界面附近产生较厚的界面层和低质量的纳米金刚石。此外,新的工艺可以在室温下使用表面活化键合技术来完成,从而降低施加在器件上的热应力。

乔治亚理工大学乔治伍德拉夫机械工程学院教授、尤金•C•格瓦尔特尼(Eugene C.Gwaltney Jr.)校长塞缪尔•格雷厄姆(Samuel Graham)说:“这项技术使我们能够将高导热材料放置在更靠近氮化镓活性器件区域的地方。”。“这种性能使我们能够最大限度地提高氮化镓在金刚石系统上的性能。这将使工程师能够定制设计未来的半导体,以实现更好的多功能操作。”

这项研究是与日本梅西大学和早稻田大学的科学家合作进行的,2月19日发表在美国化学学会应用材料与界面杂志上。这项工作得到了美国海军研究办公室(ONR)多学科大学研究计划(MURI)项目的支持。

对于在小型化器件中使用GaN等材料的高功率电子应用,散热可能是施加在器件上的功率密度的限制因素。通过添加一层比铜导热5倍的金刚石,工程师们试图分散和耗散热能。

然而,当在GaN上生长金刚石薄膜时,必须在其上植入直径约为30纳米的纳米晶颗粒,并且这层纳米晶金刚石具有较低的热导率-这增加了热量流入大块金刚石薄膜的阻力。此外,生长发生在高温下,这会在产生的晶体管中产生应力产生裂纹。

格雷厄姆说:“在目前使用的生长技术中,只有在离界面几微米远的地方,才能真正达到微晶金刚石层的高导热性能。”。“界面附近的材料只是没有很好的热性能。这种结合技术允许我们从界面处的超高导热金刚石开始。”

通过创造一个更薄的界面,表面活化键合技术使热耗散更接近GaN热源。

“我们的键合技术使高导热性单晶金刚石更接近GaN器件的热点,这有可能改变这些器件的冷却方式,”该论文的第一作者、乔治亚理工大学(Georgia Tech)新近毕业的博士郑哲(Zhe Cheng)说。由于键合发生在接近室温的地方,我们可以避免热应力对器件造成损坏。

这种热应力的降低是非常显著的,用室温技术从高达900兆帕(兆帕)到低于100兆帕。格雷厄姆说:“这种低应力键合允许金刚石厚层与GaN集成,并为金刚石与其他半导体材料的集成提供了一种方法。”。

除了氮化镓和金刚石,这项技术还可以用于其他半导体,如氧化镓,以及其他热导体,如碳化硅。格雷厄姆说,这项技术在结合薄界面层有利的电子材料方面有着广泛的应用。

他说:“这一新途径使我们能够混合和匹配材料。“这可以为我们提供很好的电性能,但明显的优势是具有非常优越的热界面。我们相信,这将证明是迄今为止将宽带隙材料与导热基板集成的最佳技术。”

在未来的工作中,研究人员计划研究其他离子源,并评估使用该技术可以集成的其他材料。

格雷厄姆说:“我们有能力选择加工条件以及基板和半导体材料,为宽带隙器件设计异质基板。”。“这使我们能够选择材料并将其集成,以最大限度地提高电、热和机械性能。”

用表面活化键合技术键合GaN-diamond界面的横截面亮场高分辨率STEM图像。

用表面活化键合技术键合GaN-diamond界面的横截面亮场高分辨率STEM图像。(Credit: Zhe Cheng, Georgia Tech)

特写图像显示抛光的GaN-SiC样品通过表面活化键合技术键合。

特写图像显示抛光的GaN-SiC样品通过表面活化键合技术键合。 (Credit: Rob Felt, Georgia Tech)

原文网址:https://rh.gatech.edu/news/633605/room-temperature-bonded-interface-improves-cooling-gallium-nitride-devices

声明:本文由江苏贝朗新能源编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。


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