作者：Gina Roos，主編

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

WBG 材料憑借其高效、大功率和高溫的優(yōu)勢(shì)，在電力電子行業(yè)中的應(yīng)用持續(xù)增長。與傳統(tǒng)的硅工藝相比，WBG 半導(dǎo)體具有更好的導(dǎo)熱性、更高的開關(guān)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(zhǔn)備廣泛采用的新技術(shù)一樣，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)總是存在的。在小型化設(shè)備中使用 GaN 等材料的高功率應(yīng)用中，散熱會(huì)限制功率密度。

今天，工程師使用一層金剛石，其導(dǎo)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(dāng)金剛石薄膜在 GaN 上生長時(shí)，它們需要用直徑約 30 nm 的納米晶顆粒進(jìn)行晶種，從而形成一層導(dǎo)電率低的納米晶金剛石。此外，生長是在高溫下進(jìn)行的，這會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)力并損壞器件。

為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種室溫鍵合技術(shù)，稱為表面活化鍵合，用于將 GaN 與金剛石等導(dǎo)熱材料集成。這會(huì)產(chǎn)生更薄的界面，從而使散熱更靠近 GaN 熱源，從而實(shí)現(xiàn)更好的冷卻和更高的性能。據(jù)研究人員稱，這可能會(huì)導(dǎo)致更高的功率水平、更長的設(shè)備壽命、更高的可靠性和更低的制造成本。

佐治亞理工學(xué)院喬治·W·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院的 Eugene C. Gwaltney Jr. 學(xué)校主席兼教授 Samuel Graham 表示，這種技術(shù)可以讓高導(dǎo)熱率材料更靠近氮化鎵中的有源器件區(qū)域?！靶阅苁刮覀兡軌蜃畲笙薅鹊靥岣呓饎偸到y(tǒng)上氮化鎵的性能，”他說。“這將使工程師能夠定制設(shè)計(jì)未來的半導(dǎo)體，以實(shí)現(xiàn)更好的多功能操作。

“在目前使用的生長技術(shù)中，直到離界面幾微米遠(yuǎn)，才能真正達(dá)到微晶金剛石層的高導(dǎo)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(shù)使我們能夠從界面處的超高導(dǎo)熱率金剛石開始?！?/p>

工作原理：研究人員表示，表面活化鍵合在高真空環(huán)境中使用離子源清潔 GaN 和金剛石的表面，從而通過產(chǎn)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(qiáng)原子鍵。這允許直接結(jié)合 GaN 和單晶金剛石來制造高電子遷移率晶體管 (HEMT)。

結(jié)果是從 GaN 到單晶金剛石的 4 nm 厚的界面層，與最先進(jìn)的 GaN-on-diamond HEMT 相比，其散熱效率高達(dá) 2 倍。

金剛石界面：使用表面活化鍵合技術(shù)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(xué)院）

此外，室溫工藝將熱應(yīng)力從高達(dá) 900 兆帕 (MPa) 降低到小于 100 MPa。“這種低應(yīng)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(dǎo)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(yōu)化電氣、熱和機(jī)械性能。但真正的優(yōu)勢(shì)是“非常優(yōu)越的熱界面，”格雷厄姆說。

這種新技術(shù)可用于其他半導(dǎo)體，如氧化鎵，以及其他熱導(dǎo)體，如碳化硅。研究人員計(jì)劃評(píng)估可用于該技術(shù)的其他離子源和材料。

這項(xiàng)研究是與日本明成大學(xué)和早稻田大學(xué)的科學(xué)家合作進(jìn)行的，該研究發(fā)表在ACS 應(yīng)用材料與界面雜志上。這項(xiàng)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(jì)劃 (MURI ) 項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃昊宇