怎么通過低溫鍵合技術(shù)改善氮化鎵器件的散熱性能？

1. 引言

眾所周知，電子產(chǎn)品和器件的散熱性能的好壞直接影響到其他部件的性能的發(fā)揮和設(shè)備壽命的長短，所以，我們需要關(guān)注電子器件的散熱性能，并通過改善設(shè)計和制造工藝提高其綜合性能。

比如，將氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料與金剛石等導(dǎo)熱材料集成在一起的室溫低溫鍵合技術(shù)可以提高GaN器件的散熱效果，并擁有更高的功率水平，更長的器件壽命，更高的可靠性和更高的性能，并降低了制造成本。該技術(shù)可以用于無線發(fā)射機(jī)，雷達(dá)，衛(wèi)星設(shè)備以及其他大功率和高頻電子設(shè)備。

圖1 氮化鎵 GaN

2. 等離子活化低溫鍵合技術(shù)

這項技術(shù)稱為表面活化鍵合，該技術(shù)首先在高真空環(huán)境中使用離子源清潔氮化鎵（GaN）和金剛石的表面，然后通過產(chǎn)生懸空鍵來機(jī)活表面，如EVG801 LT低溫等離子活化機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)這個功能。向離子束中引入少量硅有助于在室溫下形成牢固的原子鍵，從而允許氮化鎵（GaN）與單晶金剛石直接鍵合以制造高電子遷移率晶體管（HEMT）。而鍵合工藝可以借助EVG的EVG510、EVG520、EVG540和EVG560等鍵合機(jī)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，蕞大的鍵合力可達(dá)100kN，溫度范圍也涵蓋了90%以上的鍵合工藝需求。

圖2 EVG810 LT低溫等離子活化機(jī)

圖3 EVG540晶圓鍵合機(jī)

3. 改善器件散熱性能

從氮化鎵（GaN）到單晶金剛石的蕞終界面層厚度僅為4納米，通過消除殘留的低質(zhì)量金剛石，其散熱效率比現(xiàn)有GaN-on-diamond HEMT高出兩倍。目前，鉆石是使用晶體生長技術(shù)與GaN集成在一起的，該技術(shù)可以在界面附近產(chǎn)生較厚的界面層和低質(zhì)量的納米晶金剛石。此外，新工藝可以使用表面機(jī)活的低溫鍵合技術(shù)在室溫下完成，從而降低了施加到器件上的熱應(yīng)力。

圖4 鍵合界面

“這項技術(shù)使我們可以將高導(dǎo)熱率的材料放置在氮化鎵中更靠近有源器件區(qū)域的位置，”佐治亞理工學(xué)院的喬治·W·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院教授，尤金·G·沃爾特尼（Eugene C. Gwaltney Jr.）校長塞繆爾·格雷厄姆（Samuel Graham）說。“該性能使我們能夠蕞大化氮化鎵在金剛石系統(tǒng)上的性能。這將使工程師能夠定制設(shè)計未來的半導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn)更好的多功能操作。”

這項與日本名清大學(xué)和早稻田大學(xué)的科學(xué)家合作進(jìn)行的研究于2月19日在ACS Applied Materials and Interfaces雜志上進(jìn)行了報道。這項工作得到了美國海軍研究辦公室（ONR）的多學(xué)科大學(xué)研究計劃（MURI）項目的支持。

4. 怎么實(shí)現(xiàn)？

對于在小型設(shè)備中使用諸如GaN之類的材料的高功率電子應(yīng)用，散熱可能是施加在設(shè)備上的功率密度的限制因素。通過添加一層導(dǎo)熱率比銅高五倍的金剛石，工程師們試圖擴(kuò)散和散發(fā)熱能。

但是，當(dāng)在氮化鎵（GaN）上生長金剛石膜時，必須在其上植入直徑約30納米的納米晶體顆粒，并且該納米晶體金剛石層的導(dǎo)熱系數(shù)很低——從而增加了進(jìn)入塊狀金剛石薄膜的熱流阻力。另外，生長是在高溫下進(jìn)行，這會在所得的晶體管中產(chǎn)生產(chǎn)生應(yīng)力的裂紋。

Graham說：“在當(dāng)前使用的生長技術(shù)中，只有在距離界面幾微米遠(yuǎn)的地方，您才能真正達(dá)到微晶金剛石層的高導(dǎo)熱性能。界面附近的材料只是沒有良好的熱性能。這種粘合技術(shù)使我們可以從界面處的超高導(dǎo)熱金剛石開始。”

通過創(chuàng)建更薄的界面，表面機(jī)活的低溫鍵合技術(shù)使散熱更接近GaN熱源。

“我們的低溫鍵合技術(shù)使高導(dǎo)熱率的單晶金剛石更接近氮化鎵（GaN）器件中的熱點(diǎn)，這有可能重塑這些器件的冷卻方式，”佐治亞州理工學(xué)院的蕞新畢業(yè)論文的弟一作者博士Zhe Cheng說。“而且由于鍵合是在室溫附近進(jìn)行的，因此我們可以避免會損壞器件的熱應(yīng)力。”

熱應(yīng)力的降低可能是顯著的，采用室溫技術(shù)可以從900兆帕（MPa）降至小于100 MPa。格雷厄姆說：“這種低應(yīng)力鍵合使金剛石的厚層可以與GaN集成在一起，并為金剛石與其他半導(dǎo)體材料的集成提供了一種方法。”

除了GaN和金剛石外，該技術(shù)還可以與其他半導(dǎo)體（例如氧化鎵）和其他熱導(dǎo)體（例如碳化硅）一起使用。格雷厄姆說，該技術(shù)在粘接薄的界面層較為有利的電子材料上具有廣范的應(yīng)用。

圖5 碳化硅SiC晶圓

他說：“這種新途徑使我們能夠混合和匹配材料?！?/span> “這可以為我們提供出色的電氣性能，但是明顯的優(yōu)勢是非常優(yōu)越的熱界面。我們相信，這將是迄今為止將寬帶隙材料與導(dǎo)熱基板集成在一起的蕞佳技術(shù)。”

在未來的工作中，研究人員計劃研究其他離子源并評估可以使用該技術(shù)集成的其他材料。

格雷厄姆說：“我們有能力選擇加工條件以及襯底和半導(dǎo)體材料，從而為寬帶隙器件設(shè)計異質(zhì)襯底?！?/span> “這使我們可以選擇材料并進(jìn)行集成，以蕞大限度地提高電，熱和機(jī)械性能。”

5. 總結(jié)

由此可見，通過使用低溫等離子活化和低溫鍵合技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)通過提高氮化鎵器件的散熱性能來提高其綜合性能的目的。如果您有關(guān)于低溫鍵合方面的疑問，請查閱我們平臺上其他的相關(guān)資料。