氮化鎵(GaN)功率器件中千伏特擊穿電壓的演示長期以來一直激勵著電力電子和其他應用的優(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)中實現(xiàn)GaN的全部潛力的一個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，以及主動液體冷卻方法。然而，這個問題在垂直幾何中變得更加復雜，因為熱量不是在接近表面的地方產(chǎn)生的，而是在材料的主體中產(chǎn)生的。

桑迪亞國家實驗室的Piontkowski、Luke Yates團隊針對金剛石與氮化鎵(GaN)電子器件熱管理的優(yōu)化改進取得最新進展。這兩種材料的集成是通過Ti/Au的金屬間鍵合層，通過室溫壓縮鍵合厘米級GaN和金剛石模具實現(xiàn)的。團隊使用了一種改進的表面活化鍵合(SAB)方法，在超高真空(UHV)條件下，在同一工具內(nèi)立即進行Ar快速原子轟擊，然后進行鍵合。通過透射電子顯微鏡(TEM)和共聚焦聲掃描顯微鏡(C-SAM)分別對埋藏界面和總鍵合面積進行了成像。從空間分辨頻域熱反射(FDTR)中提取鍵的熱輸運質(zhì)量，鍵區(qū)的熱邊界導率>100 MW/m2·K。在鍵合良好的區(qū)域，GaN的壓應力水平較低，<80 MPa。這項工作展示了一種在垂直GaN器件中保持低固有應力同時具有高熱邊界導的新熱管理方法。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. 拉曼光譜應力分析。

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

審核編輯：彭菁