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金剛石可以改善氮化鎵器件的冷卻效果
閱讀：68 發布時間：2022-4-8將氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料與金剛石等導熱材料集成在一起的室溫鍵合技術可以提高GaN器件的冷卻效果，并通過更高的功率水平、更長的器件壽命、更高的可靠性和更高的性能來提高性能降低制造成本。該技術可以用于無線發射機、雷達、衛星設備和其他大功率和高頻電子設備。
該技術稱為表面活化鍵合，該技術在高真空環境中使用離子源首先清潔GaN和金剛石的表面，然后通過創建懸空鍵來激活表面。向離子束中引入少量硅有助于在室溫下形成牢固的原子鍵，從而允許GaN與單晶金剛石直接鍵合，從而可以制造高電子遷移率晶體管（HEMT）。
最終形成的從GaN到單晶金剛石的界面層厚度僅為4納米，通過消除納米金剛石生長留下的低質量金剛石，使散熱效率2倍于目前的GaN對金剛石的散熱效率。目前，鉆石是通過使用晶體生長技術與GaN集成在一起的，該技術可以在界面附近產生更厚的界面層和低質量的納米晶金剛石。此外，新工藝可以使用表面激活的鍵合技術在室溫下完成，從而降低了施加到器件上的熱應力。
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佐治亞理工學院Samuel Graham教授說：“這項技術使我們能夠將高導熱率的材料放置在氮化鎵中更靠近有源器件區域的位置。這種性能使我們能夠金剛石系統上氮化鎵的性能。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。"
這項與日本名清大學和早稻田大學的科學家合作進行的研究2月19日發表在ACS Applied Materials and Interfaces雜志上。這項工作得到了美國研究辦公室（ONR）的多學科大學研究計劃（MURI）項目的支持。
對于在小型設備中使用諸如GaN之類材料的大功率電子應用，散熱可能是施加在設備上的功率密度的限制因素。工程師們試圖通過增加一層導熱率比銅高五倍的鉆石來散熱。
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但是，當在GaN上生長金剛石薄膜時，必須在其上植入直徑約30納米的納米晶體顆粒，并且該納米晶體金剛石層的導熱系數很低，這增加了進入塊狀金剛石薄膜的熱流阻力。另外，生長發生在高溫下，這會在所得的晶體管中產生應力的裂紋。
Graham說：“在目前使用的生長技術中，只有在距界面幾微米遠的地方，才能真正達到微晶金剛石層的高導熱性能。界面附近的材料只是不具有良好的熱性能。這種鍵合技術使我們可以從界面處的超高導熱金剛石開始。"
通過創建更薄的界面，表面激活的鍵合技術使散熱更接近GaN熱源。
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“我們的鍵合技術使高導熱率的單晶金剛石更接近GaN器件中的熱點，這有可能重塑這些器件的冷卻方式，"佐治亞州理工學院的Zhe Cheng博士說， “而且由于鍵合是在室溫附近進行的，因此我們可以避免會損壞器件的熱應力。"
熱應力的降低可能是顯著的，采用室溫技術可以從900 MPa降至小于100 MPa。Graham說：“這種低應力鍵合使金剛石的厚層可以與GaN集成在一起，并為金剛石與其他半導體材料的集成提供了一種方法。"
除了GaN和金剛石外，該技術還可以與其他半導體（例如氧化鎵）和其他導熱體（例如碳化硅）一起使用。Graham說，該技術在需要粘接薄的界面層的電子材料上具有廣泛的應用。
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在未來的工作中，研究人員計劃研究其他離子源，并評估可以使用該技術集成的其他材料。
Graham說：“我們有能力選擇加工條件以及襯底和半導體材料，從而為寬帶隙器件設計異質襯底。這使我們可以選擇材料并進行集成，以限度地提高電、熱和機械性能。"
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