研究人员找到了一种更好的方法来冷却 GaN 器件

作者：Gina Roos，主编

佐治亚理工学院的研究人员开发了一种键合技术，该技术可以在小型化设备中使用氮化镓 (GaN) 等宽带隙 (WBG) 材料来解决大功率电子应用中的散热挑战。该技术可以改善 GaN 器件的冷却，可用于高功率和高频电子设备，包括无线发射器、雷达和卫星设备。

WBG 材料凭借其高效、大功率和高温的优势，在电力电子行业中的应用持续增长。与传统的硅工艺相比，WBG 半导体具有更好的导热性、更高的开关速度和更小的占位面积 ，可提供新一代的功率器件。

（图片：约尔）

但就像许多准备广泛采用的新技术一样，设计挑战总是存在的。在小型化设备中使用 GaN 等材料的高功率应用中，散热会限制功率密度。

今天，工程师使用一层金刚石，其导热性能比铜好 5 倍，试图分散和消散热能。研究人员表示，问题在于，当金刚石薄膜在 GaN 上生长时，它们需要用直径约 30 nm 的纳米晶颗粒进行晶种，从而形成一层导电率低的纳米晶金刚石。此外，生长是在高温下进行的，这会导致热应力并损坏器件。

为应对这些挑战，研究团队开发了一种室温键合技术，称为表面活化键合，用于将 GaN 与金刚石等导热材料集成。这会产生更薄的界面，从而使散热更靠近 GaN 热源，从而实现更好的冷却和更高的性能。据研究人员称，这可能会导致更高的功率水平、更长的设备寿命、更高的可靠性和更低的制造成本。

佐治亚理工学院乔治·W·伍德拉夫机械工程学院的 Eugene C. Gwaltney Jr. 学校主席兼教授 Samuel Graham 表示，这种技术可以让高导热率材料更靠近氮化镓中的有源器件区域。“性能使我们能够最大限度地提高金刚石系统上氮化镓的性能，”他说。“这将使工程师能够定制设计未来的半导体，以实现更好的多功能操作。

“在目前使用的生长技术中，直到离界面几微米远，才能真正达到微晶金刚石层的高导热性能，”他解释说。“界面附近的材料只是没有良好的热性能。这种键合技术使我们能够从界面处的超高导热率金刚石开始。”

工作原理：研究人员表示，表面活化键合在高真空环境中使用离子源清洁 GaN 和金刚石的表面，从而通过产生悬空键来激活表面。然后将少量硅引入离子束中，在室温下形成强原子键。这允许直接结合 GaN 和单晶金刚石来制造高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

结果是从 GaN 到单晶金刚石的 4 nm 厚的界面层，与最先进的 GaN-on-diamond HEMT 相比，其散热效率高达 2 倍。

金刚石界面：使用表面活化键合技术的 GaN-金刚石界面的横截面明场高分辨率 STEM 图像。（图片：Zhe Cheng，佐治亚理工学院）

此外，室温工艺将热应力从高达 900 兆帕 (MPa) 降低到小于 100 MPa。“这种低应力键合允许厚层金刚石与 GaN 集成，并提供金刚石与其他半导体材料集成的方法，”Graham 说。

研究人员表示，这一过程将使他们能够混合和匹配材料，并优化电气、热和机械性能。但真正的优势是“非常优越的热界面，”格雷厄姆说。

这种新技术可用于其他半导体，如氧化镓，以及其他热导体，如碳化硅。研究人员计划评估可用于该技术的其他离子源和材料。

这项研究是与日本明成大学和早稻田大学的科学家合作进行的，该研究发表在ACS 应用材料与界面杂志上。这项工作得到了美国海军研究办公室 (ONR)的多学科大学研究计划 (MURI ) 项目的支持。

审核编辑 黄昊宇