Повышение производительности нитрида галлия в алмазных системах

Повышение производительности нитрида галлия в алмазных системах

Выпуск 7 (6706) от 09 апреля 2020 г.
РУБРИКА: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Специалисты Университета штата Джорджия (США) разработали метод, позволяющий размещать материалы с высокой теплопроводностью гораздо ближе к активным областям приборов на нитриде галлия (GaN). Это позволяет максимально повысить производительность GaN в алмазных системах и проектировать многофункциональные полупроводниковые приборы в соответствии с требованиями заказчика.

Метод носит название поверхностно-активированного формирования связей. Для первичной очистки поверхностей GaN и алмазной пленки используется источник ионов в высоковакуумной среде, активирующий поверхности и создающий висячие связи. Введение небольших количеств кремния в пучки ионов облегчает формирование прочных атомных связей при комнатной температуре, позволяя непосредственно связывать GaN и монокристаллические алмазные пленки для изготовления транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). Толщина получаемого слоя раздела GaN и монокристаллической алмазной пленки составляет всего 4 нм (см. рисунок), что позволяет рассеивать тепло в два раза эффективнее, чем в современных HEMT типа «GaN-на-алмазной-пленке». В настоящее время интеграция GaN с алмазной пленкой осуществляется методом кристаллического выращивания, при котором формируется более толстый слой раздела и низкокачественная нанокристаллическая алмазная пленка вблизи от него.



Источник: Университет штата Джорджия

Схема интеграции нитрида галлия и монокристаллического алмаза


Технология соединения при комнатной температуре для интеграции материалов с широкой запрещенной зоной, таких как нитрид галлия (GaN), с теплопроводящими материалами, такими как алмаз, может усилить охлаждающий эффект на устройствах GaN и обеспечить лучшую производительность за счет более высоких уровней мощности, более длительного срока службы устройства и повышенной надежности, а также снижение производственных затрат. Метод может найти применение в беспроводных передатчиках, радарах, спутниковом оборудовании и других мощных и высокочастотных электронных устройствах.

Для первоначальной очистки поверхностей GaN и алмазной пленки используется источник ионов в среде с высоким вакуумом, который активирует поверхности, создавая ненасыщенные связи. Введение в пучки ионов небольшого количества кремния облегчает образование сильных атомных связей при комнатной температуре. Благодаря этому осуществляется прямое соединение GaN и монокристаллической алмазной пленки для изготовления HEMT.

Данный метод позволяет размещать материалы с высокой теплопроводностью гораздо ближе к активным областям GaN-прибора, что позволяет максимально повысить его производительность в алмазных системах. Это дает возможность инженерам проектировать перспективные полупроводниковые приборы с улучшенной функциональностью.

При применении в области силовой электроники миниатюрных приборов на основе таких материалов, как GaN, фактором, ограничивающим достижение высоких показателей с точки зрения плотности мощности, может стать рассеяние тепла. Добавление алмазной пленки, проводящей тепло в пять раз лучше, чем аналогичный слой меди, позволяет частично решить проблему теплоотвода.

Однако при выращивании алмазных пленок на GaN необходимо использовать монокристаллические алмазные затравки диаметром около 30 нм. Этот слой, имеющий низкую теплопроводность, осложняет теплоотвод. Кроме того, выращивание происходит при высоких температурах, что может привести к возникновению трещин из-за термической напряженности.

Используемая в настоящее время стандартная технология выращивания микрокристаллических алмазных пленок не позволяет достичь высокой теплопроводности, а материалы вблизи поверхности раздела не обладают хорошими тепловыми свойствами. Новая методика поверхностно-активированного формирования связей позволяет начать формирование алмазных пленок со значительно увеличенной теплопроводностью прямо на границе раздела и, за счет уменьшения толщины границы раздела, переместить зону теплового рассеяния ближе к GaN-источнику тепла.

Помимо GaN и алмаза метод можно использовать с другими полупроводниками, такими как оксид галлия, и с другими теплопроводниками, такими как карбид кремния. Метод широко применяется для соединения электронных материалов, где предпочтительными являются тонкие межфазные слои, и дает возможность создавать комбинации материалов путем смешивания и подгонки. Это позволяет обеспечить высокие электрические свойства, но основным преимуществом становится высокоэффективный тепловой интерфейс. Разработчики считают, что на сегодня их метод – ​наилучший из доступных для интеграции материалов с широкой запрещенной зоной с теплопроводящими подложками.

Описанный этап работ был осуществлен Университетом штата Джорджия в сотрудничестве с университетами Мэйсэй и Васэда (Япония) при поддержке проекта «Междисциплинарная университетская исследовательская инициатива» (Multidisciplinary University Research Initiative, MURI), реализуемого Научно-исследовательским управлением (ONR) ВМС США. На следующем этапе работ исследователи планируют изучить другие источники ионов и оценить другие материалы, которые могут быть интегрированы с использованием созданной ими методики.


Graham Sam, Cheng Zhe. Room-temperature Bonded Interface Improves Cooling of Gallium Nitride Devices. Semiconductor Engineering. March 16, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/03/16/room-temperature-bonded-interface-improves-cooling-of-gallium-nitride-devices/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ