A mesura que els xips informàtics d'IA i els dispositius de RF de tercera-generació continuen evolucionant cap a una potència més gran i densitats de flux de calor més altes, la lògica competitiva de la indústria de la gestió tèrmica dels semiconductors ha experimentat un canvi fonamental. En molts escenaris de fallada del dispositiu-de gamma alta, la causa principal ja no és una conductivitat tèrmica insuficient dels materials bàsics-dissipadors de calor, sinó una resistència tèrmica interfacial alta i una estabilitat estructural deficient en condicions de cicle d'alta-temperatura. El nitrur d'alumini (AlN), com a material ceràmic representatiu d'alta conductivitat tèrmica, ha vist que la puresa i el control a -escala fina de la seva microestructura interfacial esdevenen factors crítics que afecten el rendiment i la vida útil dels semiconductors d'alta-potència.
1. Avenç acadèmic:-implantació-tecnologia de nucleació induïda
Per abordar els punts dolorosos de la indústria d'alta densitat de defectes i alta resistència tèrmica a les interfícies epitaxials en dispositius d'alta potència, el nostre equip ha desenvolupat una tecnologia de nucleació induïda per la implantació d'ions que controla amb precisió el creixement de les pel·lícules primes d'AlN en capes ben-ordenades i resolen estructures en capes ben ordenades, provocant problemes d'acumulació d'illa com a defecte. creixement aleatori observat en processos convencionals. Les mesures experimentals mostren que aquest procés redueix la resistència tèrmica interfacial a un-terç de la de les estructures tradicionals. Aquest avenç eleva l'AlN d'un simple material d'enllaç auxiliar a una plataforma d'interfície integrada universal compatible amb una varietat de materials semiconductors. També confirma una tendència de la indústria: la millora del rendiment de la potència dels semiconductors ja no es basa en l'apilament dels paràmetres del substrat; més aviat, les capes d'interfície AlN d'alta-puresa i baix-defectes es converteixen en l'activador principal. AlN combina una alta conductivitat tèrmica, un alt aïllament elèctric i un coeficient d'expansió tèrmica que coincideix molt amb el carbur de silici (SiC) i és bastant proper al nitrur de gal·li (GaN), el que el converteix en un material funcional interfacial indispensable per a l'heteroepitaxia i l'embalatge de dispositius de precisió.
2. Control de la impuresa d'oxigen: la variable bàsica que determina la fiabilitat de la interfície-de pel·lícula fina
El rendiment de la interfície depèn en última instància de la qualitat del cristall i el control d'impureses de la pròpia pel·lícula fina d'AlN. La conductivitat tèrmica teòrica de l'-AlN monocristal·lí pot arribar als 320 W/(m·K), el que el converteix en un material-de dissipació de calor ideal. Tanmateix, el rendiment de les pel·lícules primes cultivades epitaxialment està limitat pels defectes del cristall i el contingut d'impureses. Les impureses d'oxigen a la pel·lícula són el factor clau que restringeix la conductivitat tèrmica i afecten l'estabilitat interfacial. AlN té una alta activitat química i és propens a incorporar àtoms d'oxigen durant el creixement epitaxial. Una vegada que els àtoms d'oxigen entren a la xarxa cristal·lina, formen vacants d'alumini, indueixen la distorsió de la xarxa i milloren la dispersió de fonons, reduint així la conductivitat tèrmica intrínseca de la pel·lícula.
L'impacte de les impureses d'oxigen en els dispositius semiconductors persisteix al llarg de la seva vida útil. L'oxigen dissolt dins de la gelosia danya permanentment l'estructura cristal·lina; l'oxigen residual a la pel·lícula forma complexos de defectes durant el funcionament a altes-temperatura, cosa que agreuja la resistència tèrmica interfacial. En entorns amb cicles tèrmics freqüents, aquests defectes s'acumulen gradualment, donant lloc a un augment continu de la resistència tèrmica interfacial. Durant el funcionament-a llarg termini, els dispositius són propensos a la degradació de l'energia i a una fiabilitat reduïda. Per tant, la preparació de pel·lícules primes d'AlN de baixa-oxigen i alta-cristallinitat s'ha convertit en una direcció tècnica crítica per a avenços en el rendiment dels dispositius d'alta-potència.
3. Resum i perspectives
Actualment, la Xina ha construït una sòlida base de recerca teòrica i experimental en el camp de les pel·lícules primes d'AlN. Mitjançant noves tècniques de creixement, com ara la implantació d'ions, es poden produir pel·lícules fines-de baixa resistència tèrmica i ben estructurades a escala de laboratori. No obstant això, aquestes tecnologies avançades de preparació interfacial encara no han madurat per a l'aplicació industrial a causa dels alts costos de fabricació, el baix rendiment del lot i la insuficient compatibilitat del procés. Com a resultat, les pel·lícules primes d'-AlN d'alt rendiment encara no es poden adoptar àmpliament en dispositius-de semiconductors d'alta gamma.
Com que no s'ha aconseguit la tecnologia de producció massiva per a interfícies de pel·lícules primes-de gamma alta-, les solucions domèstiques de gestió tèrmica s'enfronten a reptes importants en aplicacions d'alt-valor com ara xips de-automoció, xips informàtics-de gamma alta i dispositius de RF d'alta-freqüència, amb una taxa de penetració persistentment baixa. El coll d'ampolla principal rau en l'estabilitat estructural inadequada de les interfícies de-pel·lícula fina en condicions de cicle tèrmic a llarg termini-.
El desenvolupament futur de la indústria s'ha de continuar centrant en l'optimització iterativa dels processos de creixement de pel·lícules primes d'AlN, millorant constantment aspectes clau com l'establiment d'entorns de creixement d'alta-puresa i la purificació de gasos precursors d'alta-puresa, alhora que controla rigorosament la incorporació d'impureses nocives com l'oxigen a la lattice. La indústria ha de prioritzar la resolució de problemes crítics com ara la consistència de lot-a-lot de la fabricació de pel·lícules-prima, la força d'unió interfacial i l'estabilitat del servei a llarg termini-, alhora que redueix contínuament els costos de producció i accelera la comercialització de tecnologies de laboratori. Només així les pel·lícules primes d'-AlN d'alt rendiment poden aconseguir una adopció comercial generalitzada i ajudar a superar el coll d'ampolla tèrmic intern de la indústria nacional de semiconductors d'alta potència-de la Xina.