GaN/金刚石功率器件界面的热管理

氮化镓(GaN)功率器件中千伏特击穿电压的演示长期以来一直激励着电力电子和其他应用的优化。这是由于电力系统中转换效率的潜力大大提高。GaN器件可分为横向和纵向器件结构，在横向器件中，电场在器件中横向排列，并被限制在氮化镓内部，但靠近表面在垂直器件中，电场均匀地分布在GaN内。因此，垂直器件可以在不增加芯片尺寸的情况下提高击穿电压。在这两种几何结构中实现GaN的全部潜力的一个主要障碍是器件工作温度。在工作条件下，GaN功率器件的温度可以超过300°C，这降低了电子迁移率，从而降低了器件效率。为了降低横向装置的工作温度，已经使用了吸热基材和涂层，以及主动液体冷却方法。然而，这个问题在垂直几何中变得更加复杂，因为热量不是在接近表面的地方产生的，而是在材料的主体中产生的。

桑迪亚国家实验室的Piontkowski、Luke Yates团队针对金刚石与氮化镓(GaN)电子器件热管理的优化改进取得最新进展。这两种材料的集成是通过Ti/Au的金属间键合层，通过室温压缩键合厘米级GaN和金刚石模具实现的。团队使用了一种改进的表面活化键合(SAB)方法，在超高真空(UHV)条件下，在同一工具内立即进行Ar快速原子轰击，然后进行键合。通过透射电子显微镜(TEM)和共聚焦声扫描显微镜(C-SAM)分别对埋藏界面和总键合面积进行了成像。从空间分辨频域热反射(FDTR)中提取键的热输运质量，键区的热边界导率>100 MW/m2·K。在键合良好的区域，GaN的压应力水平较低，<80 MPa。这项工作展示了一种在垂直GaN器件中保持低固有应力同时具有高热边界导的新热管理方法。研究成果以“Thermal Transport and Mechanical Stress Mapping of a Compression Bonded GaN/Diamond Interface for Vertical Power Devices”为题发表在《ACS Applied Materials&Materials》。

图文导读

图1.  GaN/金刚石器件结构与合成。

图2.  电子显微镜示意图。

图3. 频域热反射率。

图4. 拉曼光谱应力分析。

图5. 局部热-机械分布图:(a)拉曼图转换为应力，18 kHz FDTR图用于热部分。

审核编辑：彭菁