作者：Gina Roos，主編

佐治亞理工學院的研究人員開發了一種鍵合技術，該技術可以在小型化設備中使用氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 材料來解決大功率電子應用中的散熱挑戰。該技術可以改善 GaN 器件的冷卻，可用于高功率和高頻電子設備，包括無線發射器、雷達和衛星設備。

WBG 材料憑借其高效、大功率和高溫的優勢，在電力電子行業中的應用持續增長。與傳統的硅工藝相比，WBG 半導體具有更好的導熱性、更高的開關速度和更小的占位面積?，可提供新一代的功率器件。

（圖片：約爾）

但就像許多準備廣泛采用的新技術一樣，設計挑戰總是存在的。在小型化設備中使用 GaN 等材料的高功率應用中，散熱會限制功率密度。

今天，工程師使用一層金剛石，其導熱性能比銅好 5 倍，試圖分散和消散熱能。研究人員表示，問題在于，當金剛石薄膜在 GaN 上生長時，它們需要用直徑約 30 nm 的納米晶顆粒進行晶種，從而形成一層導電率低的納米晶金剛石。此外，生長是在高溫下進行的，這會導致熱應力并損壞器件。

為應對這些挑戰，研究團隊開發了一種室溫鍵合技術，稱為表面活化鍵合，用于將 GaN 與金剛石等導熱材料集成。這會產生更薄的界面，從而使散熱更靠近 GaN 熱源，從而實現更好的冷卻和更高的性能。據研究人員稱，這可能會導致更高的功率水平、更長的設備壽命、更高的可靠性和更低的制造成本。

佐治亞理工學院喬治·W·伍德拉夫機械工程學院的 Eugene C. Gwaltney Jr. 學校主席兼教授 Samuel Graham 表示，這種技術可以讓高導熱率材料更靠近氮化鎵中的有源器件區域。“性能使我們能夠最大限度地提高金剛石系統上氮化鎵的性能，”他說。“這將使工程師能夠定制設計未來的半導體，以實現更好的多功能操作。

“在目前使用的生長技術中，直到離界面幾微米遠，才能真正達到微晶金剛石層的高導熱性能，”他解釋說。“界面附近的材料只是沒有良好的熱性能。這種鍵合技術使我們能夠從界面處的超高導熱率金剛石開始。”

工作原理：研究人員表示，表面活化鍵合在高真空環境中使用離子源清潔 GaN 和金剛石的表面，從而通過產生懸空鍵來激活表面。然后將少量硅引入離子束中，在室溫下形成強原子鍵。這允許直接結合 GaN 和單晶金剛石來制造高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

結果是從 GaN 到單晶金剛石的 4 nm 厚的界面層，與最先進的 GaN-on-diamond HEMT 相比，其散熱效率高達 2 倍。

金剛石界面：使用表面活化鍵合技術的 GaN-金剛石界面的橫截面明場高分辨率 STEM 圖像。（圖片：Zhe Cheng，佐治亞理工學院）

此外，室溫工藝將熱應力從高達 900 兆帕 (MPa) 降低到小于 100 MPa。“這種低應力鍵合允許厚層金剛石與 GaN 集成，并提供金剛石與其他半導體材料集成的方法，”Graham 說。

研究人員表示，這一過程將使他們能夠混合和匹配材料，并優化電氣、熱和機械性能。但真正的優勢是“非常優越的熱界面，”格雷厄姆說。

這種新技術可用于其他半導體，如氧化鎵，以及其他熱導體，如碳化硅。研究人員計劃評估可用于該技術的其他離子源和材料。

這項研究是與日本明成大學和早稻田大學的科學家合作進行的，該研究發表在ACS 應用材料與界面雜志上。這項工作得到了美國海軍研究辦公室 (ONR)的多學科大學研究計劃 (MURI ) 項目的支持。

審核編輯 黃昊宇