GaN/金剛石功率器件界面的熱管理

氮化鎵(GaN)功率器件中千伏特?fù)舸╇妷旱难菔鹃L(zhǎng)期以來(lái)一直激勵(lì)著電力電子和其他應(yīng)用的優(yōu)化。這是由于電力系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換效率的潛力大大提高。GaN器件可分為橫向和縱向器件結(jié)構(gòu)，在橫向器件中，電場(chǎng)在器件中橫向排列，并被限制在氮化鎵內(nèi)部，但靠近表面在垂直器件中，電場(chǎng)均勻地分布在GaN內(nèi)。因此，垂直器件可以在不增加芯片尺寸的情況下提高擊穿電壓。在這兩種幾何結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)GaN的全部潛力的一個(gè)主要障礙是器件工作溫度。在工作條件下，GaN功率器件的溫度可以超過(guò)300°C，這降低了電子遷移率，從而降低了器件效率。為了降低橫向裝置的工作溫度，已經(jīng)使用了吸熱基材和涂層，以及主動(dòng)液體冷卻方法。然而，這個(gè)問(wèn)題在垂直幾何中變得更加復(fù)雜，因?yàn)闊崃坎皇窃诮咏砻娴牡胤疆a(chǎn)生的，而是在材料的主體中產(chǎn)生的。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Piontkowski、Luke Yates團(tuán)隊(duì)針對(duì)金剛石與氮化鎵(GaN)電子器件熱管理的優(yōu)化改進(jìn)取得最新進(jìn)展。這兩種材料的集成是通過(guò)Ti/Au的金屬間鍵合層，通過(guò)室溫壓縮鍵合厘米級(jí)GaN和金剛石模具實(shí)現(xiàn)的。團(tuán)隊(duì)使用了一種改進(jìn)的表面活化鍵合(SAB)方法，在超高真空(UHV)條件下，在同一工具內(nèi)立即進(jìn)行Ar快速原子轟擊，然后進(jìn)行鍵合。通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)和共聚焦聲掃描顯微鏡(C-SAM)分別對(duì)埋藏界面和總鍵合面積進(jìn)行了成像。從空間分辨頻域熱反射(FDTR)中提取鍵的熱輸運(yùn)質(zhì)量，鍵區(qū)的熱邊界導(dǎo)率>100 MW/m2·K。在鍵合良好的區(qū)域，GaN的壓應(yīng)力水平較低，<80 MPa。這項(xiàng)工作展示了一種在垂直GaN器件中保持低固有應(yīng)力同時(shí)具有高熱邊界導(dǎo)的新熱管理方法。研究成果以“Thermal Transport and Mechanical Stress Mapping of a Compression Bonded GaN/Diamond Interface for Vertical Power Devices”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials&Materials》。

圖文導(dǎo)讀

圖1. ?GaN/金剛石器件結(jié)構(gòu)與合成。

圖2. ?電子顯微鏡示意圖。

圖3. 頻域熱反射率。

圖4. 拉曼光譜應(yīng)力分析。

圖5. 局部熱-機(jī)械分布圖:(a)拉曼圖轉(zhuǎn)換為應(yīng)力，18 kHz FDTR圖用于熱部分。

審核編輯：彭菁