Оскільки обчислювальні чіпи зі штучним інтелектом і радіочастотні пристрої третього-покоління продовжують розвиватися в напрямку збільшення потужності та вищої щільності теплового потоку, конкурентна логіка індустрії управління температурою напівпровідників зазнала фундаментальних змін. У багатьох-сценаріях несправності високоякісних пристроїв основною причиною вже є не недостатня теплопровідність основних-теплорозсіювальних матеріалів, а скоріше високий міжфазний термічний опір і низька структурна стабільність за умов високо-температурного циклу. Нітрид алюмінію (AlN), як репрезентативний керамічний матеріал з високою теплопровідністю, спостерігав, як чистота та тонкий-контроль його міжфазної мікроструктури стали критичними факторами, що впливають на продуктивність і термін служби високо-потужних напівпровідників.
1. Академічний прорив: технологія іонної-імплантації-індукованої нуклеації
Щоб усунути проблеми, пов’язані з високою щільністю дефектів і високим термічним опором на епітаксіальних інтерфейсах у високо-потужних пристроях, наша команда розробила технологію-імплантації-зародження, яка точно контролює ріст тонких плівок AlN у добре-впорядковані шаруваті структури, ефективно вирішуючи проблеми накопичення дефектів, спричинені острівцями-як довільне зростання видно в звичайних процесах. Експериментальні вимірювання показують, що цей процес зменшує міжфазний термічний опір до-третини від традиційних структур. Цей прорив перетворює AlN із простого допоміжного сполучного матеріалу на універсальну інтегровану інтерфейсну платформу, сумісну з різними напівпровідниковими матеріалами. Це також підтверджує галузеву тенденцію: підвищення потужності напівпровідників більше не залежить від параметрів підкладки стека; скоріше, інтерфейсні шари AlN високої{9}}чистоти з низьким{10}}дефектом стають основним інструментом. AlN поєднує в собі високу теплопровідність, високу електроізоляцію та коефіцієнт теплового розширення, який близько відповідає карбіду кремнію (SiC) і досить близький до нітриду галію (GaN), що робить його незамінним міжфазним функціональним матеріалом для гетероепітаксії та прецизійного пакування пристроїв.
2. Контроль домішок кисню: основна змінна, що визначає надійність інтерфейсу тонкої{1}}плівки
Продуктивність інтерфейсу в кінцевому підсумку залежить від якості кристалів і контролю домішок самої тонкої плівки AlN. Теоретична теплопровідність моно-кристала AlN може досягати 320 Вт/(м·К), що робить його ідеальним тепло-матеріалом. Однак продуктивність епітаксіально вирощених тонких плівок обмежена дефектами кристалів і вмістом домішок. Домішки кисню в плівці є ключовим фактором, що обмежує теплопровідність і впливає на межфазну стабільність. AlN має високу хімічну активність і схильний до включення атомів кисню під час епітаксійного росту. Коли атоми кисню потрапляють у кристалічну решітку, вони утворюють вакансії алюмінію, викликають спотворення решітки та посилюють розсіювання фононів, тим самим зменшуючи власну теплопровідність плівки.
Вплив домішок кисню на напівпровідникові прилади зберігається протягом усього терміну їх служби. Розчинений кисень у решітці остаточно пошкоджує кристалічну структуру; Залишковий кисень у плівці утворює дефектні комплекси під час роботи при високій-температурі, посилюючи міжфазний термічний опір. У середовищах із частими термічними циклами ці дефекти поступово накопичуються, що призводить до постійного збільшення міжфазного теплового опору. Під час тривалої-експлуатації пристрої схильні до зниження потужності та зниження надійності. Таким чином, виготовлення тонких плівок AlN з низьким-киснем і високою-кристалічністю стало критично важливим технічним напрямком для прориву в-продуктивності пристроїв із високою-енергетичністю.
3. Резюме та прогноз
В даний час Китай створив надійну теоретичну та експериментальну дослідницьку основу в області тонких плівок AlN. За допомогою нових методів вирощування, таких як іонна імплантація, низький термічний опір, добре-структуровані тонкі плівки можна виготовити в лабораторних масштабах. Однак ці передові технології підготовки міжфазних поверхонь ще не дозріли для промислового застосування через високі витрати на виготовлення, низький вихід партії та недостатню сумісність процесу. Як наслідок, високоякісні тонкі плівки AlN ще не можуть бути широко впроваджені в-напівпровідникових пристроях високого класу.
Оскільки технологія масового виробництва високо{0}}тонкоплівкових-інтерфейсів не була досягнута, вітчизняні рішення для керування температурою стикаються зі значними проблемами у високо-додатках, таких як автомобільні-чіпи, високо-обчислювальні чіпи та високо-радіочастотні пристрої, із постійно низьким рівнем проникнення. Основним вузьким місцем є недостатня структурна стабільність інтерфейсів тонких-плівок в умовах тривалого-термічного циклу.
Майбутній розвиток промисловості повинен і надалі зосереджуватися на ітераційній оптимізації процесів вирощування тонких -плівок AlN, постійно вдосконалюючи ключові аспекти, такі як створення високо-чистих середовищ для вирощування та очищення високо-чистих газів-попередників, суворо контролюючи включення шкідливих домішок, як-от кисень, у решітку. Галузь має надати пріоритет розв’язанню критичних проблем, таких як-до-узгодженість виробництва тонкої-плівки, міцність міжфазного зв’язку та довгострокова-стабільність служби, одночасно постійно знижуючи виробничі витрати та прискорюючи комерціалізацію лабораторних технологій. Лише тоді високоефективні тонкі плівки AlN зможуть справді отримати широке комерційне застосування та допомогти подолати внутрішнє теплове вузьке місце для домашньої індустрії потужних напівпровідників Китаю-.