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佐治亚理工大学开发一种新的键合技术,可以改善氮化镓(GaN)器件的散热性能

佐治亚理工学院的研究人员开发了一种键合技术,该技术解决了采用氮化镓(GaN)作为宽带隙(Wide-BandGap, WBG)材料的大功率电子应用中的散热难题。该技术可以改善GaN器件的散热性能,可用于高功率和高频电子器件,包括无线发射机、雷达和卫星设备。

由于WBG材料具有高效、大功率、耐高温等优点,其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半导体能够提供更好的导热性、更高的开关速度和更小的封装,从而提供新一代的电力设备。

不过,WBG半导体材料在被广泛应用的同时,挑战也随之而来。例如,在小封装高功率的器件中使用GaN等材料,散热会限制功率密度。

今天,工程师们用一层比铜导热能力强5倍的钻石来分散热能。研究人员表示,当金刚石薄膜生长在氮化镓上时,它们需要植入直径约30纳米的颗粒,从而形成一层导电性较低的纳米金刚石。此外,生长是在高温下进行的,这可能会造成热应力并损坏器件。

为了应对这些挑战,研究团队开发了一种被称为表面激活键合的室温键合技术,将氮化镓与金刚石等导热材料结合在一起。这创造了一个更薄的表面,这使得散热更接近GaN热源,从而获得更好的散热和更高的性能。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。

根据佐治亚理工学院Samuel Graham的说法,这种技术将高导热材料放置在离氮化镓活性区更近的地方,可以最大化氮化镓在单晶金刚石上的性能。

这是因为在目前使用的生长技术中,只有在离单晶金刚石表面几微米远的地方,才能真正达到单晶金刚石的高导热性,而在单晶金刚石表面却没有很好的导热性

工作原理:表面激活的结合是在高真空环境中使用离子源来清洁氮化镓和钻石的表面,通过制造悬空的化学键来激活表面。然后少量的硅被引入离子束中,在室温下形成强原子键。这使得氮化镓和单晶金刚石的直接结合能够制造出高电子迁移率晶体管(HEMTs)。

在氮化镓和单晶金刚石之间形成了一个4纳米厚的表面层,它比目前最先进的氮化镓-金刚石HEMTs的散热效率提高了2倍。

此外,室温过程将热应力从高达900兆帕(MPa)降低到不到100兆帕。这种低应力结合允许厚层金刚石与氮化镓集成,并为金刚石与其他半导体材料集成提供了一种方法。

研究人员说,这一过程将使他们能够混合和匹配材料,并优化电、热和机械性能,但真正的优势是“一个非常优越的热表面”。

这项新技术可以用于其他半导体,如氧化镓,以及其他热导体,如碳化硅。研究人员计划用于该技术评估其他离子源和材料。

这项研究是与日本梅赛大学和早稻田大学的科学家合作进行的,研究结果发表在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)多学科大学研究计划(MURI)的支持。

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