از آنجایی که تراشههای محاسباتی هوش مصنوعی و نسل سوم دستگاههای RF به سمت توان بالاتر و چگالی شار حرارتی بالاتر تکامل مییابند، منطق رقابتی صنعت مدیریت حرارتی نیمهرسانا دستخوش تغییر اساسی شده است. در بسیاری از سناریوهای{2}}خرابی دستگاه با کیفیت بالا، دلیل اصلی دیگر رسانایی حرارتی ناکافی مواد اتلاف کننده گرمای اولیه- نیست، بلکه مقاومت حرارتی سطحی بالا و پایداری ساختاری ضعیف در شرایط چرخه دمای بالا-است. نیترید آلومینیوم (AlN)، به عنوان یک ماده سرامیکی با رسانایی حرارتی بالا، شاهد خلوص و{6}}کنترل مقیاس ظریف ریزساختار سطحی آن بوده است که بر عملکرد و عمر مفید نیمههادیهای پرقدرت تأثیر میگذارد.
1. پیشرفت تحصیلی: فناوری هستهسازی القایی یون-کاشت-
برای رسیدگی به نقاط درد صنعت با چگالی نقص بالا و مقاومت حرارتی بالا در رابطهای همپایه در-دستگاههای پرقدرت، تیم ما یک فناوری هستهزایی-کاشته{2}} یونی ایجاد کرده است که دقیقاً رشد لایههای نازک AlN را به خوبی کنترل میکند-بهخوبی-{مشکلات لایهای مرتب شده{4} که توسط ساختارهای انحلال مجدد جزیره ایجاد میشود، به طور مؤثری کنترل میکند. رشد تصادفی که در فرآیندهای مرسوم دیده می شود. اندازهگیریهای تجربی نشان میدهند که این فرآیند مقاومت حرارتی سطحی را به یک سوم-ساختارهای سنتی کاهش میدهد. این پیشرفت AlN را از یک ماده اتصال کمکی ساده به یک پلت فرم رابط یکپارچه جهانی سازگار با انواع مواد نیمه هادی ارتقا می دهد. همچنین روند صنعت را تأیید می کند: بهبود عملکرد توان نیمه هادی دیگر به پارامترهای زیرلایه انباشته متکی نیست. در عوض، لایههای رابط AlN با خلوص بالا،-کم{10}}بهعنوان فعالکننده اصلی تبدیل میشوند. AlN رسانایی حرارتی بالا، عایق الکتریکی بالا و ضریب انبساط حرارتی را ترکیب میکند که دقیقاً با کاربید سیلیکون (SiC) مطابقت دارد و نسبتاً به نیترید گالیوم (GaN) نزدیک است و آن را به یک ماده کاربردی رابط ضروری برای بستهبندی دستگاههای هترواپیتاکسی و دقیق تبدیل میکند.
2. کنترل ناخالصی اکسیژن: متغیر اصلی تعیین کننده قابلیت اطمینان لایه نازک-
عملکرد رابط در نهایت به کیفیت کریستال و کنترل ناخالصی خود لایه نازک AlN بستگی دارد. رسانایی نظری حرارتی-AlN تک کریستالی میتواند به 320 W/(m·K) برسد، که آن را تبدیل به مادهای ایدهآل برای دفع گرما-میکند. با این حال، عملکرد لایههای نازک رشد همپایی به دلیل نقص کریستالی و محتوای ناخالصی محدود میشود. ناخالصی های اکسیژن موجود در فیلم عامل کلیدی محدود کننده هدایت حرارتی و تأثیر بر پایداری سطحی هستند. AlN دارای فعالیت شیمیایی بالایی است و مستعد ترکیب اتم های اکسیژن در طول رشد همپایی است. هنگامی که اتمهای اکسیژن وارد شبکه کریستالی میشوند، جای خالی آلومینیومی را تشکیل میدهند، اعوجاج شبکه را القا میکنند و پراکندگی فونون را افزایش میدهند و در نتیجه هدایت حرارتی ذاتی فیلم را کاهش میدهند.
تأثیر ناخالصی های اکسیژن بر دستگاه های نیمه هادی در طول عمر مفید آنها باقی می ماند. اکسیژن محلول در شبکه به طور دائم به ساختار کریستالی آسیب می رساند. اکسیژن باقیمانده در فیلم در حین کار با دمای{1}بالا، کمپلکس های نقصی را تشکیل می دهد و مقاومت حرارتی سطحی را تشدید می کند. در محیط هایی با چرخه حرارتی مکرر، این عیوب به تدریج جمع می شوند و منجر به افزایش مداوم مقاومت حرارتی سطحی می شوند. در طول کارکرد طولانی مدت، دستگاهها مستعد کاهش قدرت و کاهش قابلیت اطمینان هستند. بنابراین، تهیه لایههای نازک AlN با-اکسیژن کم،-بلوریت بالا، به یک جهت فنی حیاتی برای پیشرفت در عملکرد دستگاه- با قدرت بالا تبدیل شده است.
3. خلاصه و چشم انداز
در حال حاضر، چین یک پایه تحقیقاتی نظری و تجربی محکم در زمینه لایههای نازک AlN ایجاد کرده است. با استفاده از تکنیکهای رشد جدید مانند کاشت یون، مقاومت حرارتی کم، لایههای نازک-خوب میتوان در مقیاس آزمایشگاهی تولید کرد. با این حال، این فنآوریهای پیشرفته آمادهسازی سطحی به دلیل هزینههای ساخت بالا، بازده دستهای کم و سازگاری ناکافی فرآیند، هنوز برای کاربردهای صنعتی به بلوغ نرسیدهاند. در نتیجه، لایههای نازک AlN با کارایی بالا هنوز نمیتوانند بهطور گسترده در دستگاههای نیمهرسانای پیشرفته- مورد استفاده قرار گیرند.
از آنجایی که فناوری تولید انبوه برای واسطهای فیلم نازک{{1}بالا-بالا-به دست نیامده است، راهحلهای مدیریت حرارتی داخلی با چالشهای قابل توجهی در-برنامههای کاربردی با ارزش بالا مانند تراشههای خودرو-، تراشههای محاسباتی بالا-و دستگاههای رادیویی با فرکانس بالا{{5}با سرعت نفوذ پایین مواجه هستند. گلوگاه اصلی در پایداری ساختاری ناکافی لایه های نازک-در شرایط چرخه حرارتی طولانی مدت نهفته است.
توسعه صنعت آینده باید بر روی بهینهسازی تکراری فرآیندهای رشد لایه نازک{0}} AlN تمرکز کند، و به طور پیوسته جنبههای کلیدی مانند ایجاد محیطهای رشد با خلوص بالا و خالصسازی گازهای پیشساز- با خلوص بالا را بهبود بخشد، در حالی که بهشدت ادغام مواد مضر در لایههای مضر را کنترل میکند. صنعت باید حل مسائل حیاتی مانند دستهای-تا-سازگاری دستهای-ساخت لایه نازک، استحکام پیوند سطحی و پایداری خدمات طولانیمدت را در اولویت قرار دهد، در حالی که به طور مداوم هزینههای تولید را کاهش میدهد و تجاریسازی فناوریهای آزمایشگاهی را تسریع میکند. تنها در این صورت است که فیلمهای نازک AlN با کارایی بالا واقعاً به استقبال گسترده تجاری دست مییابند و به غلبه بر گلوگاه حرارتی داخلی برای صنعت نیمهرساناهای توان بالا{10} داخلی چین کمک میکنند.