第三代半導體材料及器件中的熱科學和工程問題
2021-12-16 07:58:12程哲
物理學報 2021年23期
程哲
(伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校材料科學和工程系,伊利諾伊 61801)
簡單回顧了半導體材料的發(fā)展歷史,并以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管為例,介紹了第三代半導體器件的產(chǎn)熱機制和熱管理策略.以β 相氧化鎵為例,簡單討論了新興的超寬禁帶半導體的發(fā)展和熱管理挑戰(zhàn).然后重點討論了一些界面鍵合技術(shù)用于半導體散熱的進展,同時指出這些器件中大量存在的界面散熱的工程難題背后的科學問題:界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫?在回顧了之前界面?zhèn)鳠岬睦碚摪l(fā)展后,指出了理解界面?zhèn)鳠岙斍坝龅降囊恍├щy、機遇和方向.
1 引言
半導體技術(shù)的前幾十年基本上是建立在第一代半導體材料(鍺、硅)和第二代半導體材料(傳統(tǒng)的三五族化合物,比如砷化鎵)上.這些材料的禁帶寬度都在2.3 eV 以下.即使寬的禁帶寬度意味著能承受更高的擊穿電壓、更節(jié)能、所需材料更少,寬禁帶半導體的發(fā)展一直很艱難.直到19 世紀80 年代后期至90 年代,氮化鎵生長和摻雜技術(shù)的突破帶來了光電器件的革命,隨后也被用于電子器件.碳化硅在電子器件方面的研究則稍早于氮化鎵.以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導體電子器件在2000 年以后,特別是2010 年之后,開始走向成熟,在功率和射頻器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一系列革新應(yīng)用:能源基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源轉(zhuǎn)化器、國防雷達和電子戰(zhàn)技術(shù)、衛(wèi)星通訊.區(qū)別三代半導體的主要標準是其禁帶寬度.隨著5 G 通訊的發(fā)展,基于第三代半導體的射頻器件正大規(guī)模用于5 G 基站.同時,射頻和功率器件將大規(guī)模用于電動汽車的傳感通信和電源轉(zhuǎn)化.與硅器件相比,氮化鎵器件的延時可以減少到硅器件的1/10 以下并且體積更加緊湊和節(jié)能.在應(yīng)用需求的催生下,相關(guān)器件的頻率和功率也越來越高,熱管理成為制約器件穩(wěn)定性和壽命的一個技術(shù)瓶頸.
近年來,各國政府在大力投入第三代半導體的同時,也加大了對比第三代半導體禁帶寬度更大的超寬禁帶半導體的投入.超寬禁帶半導體,比如氧化鎵、氮化鋁、金剛石和氮化硼,也迎來了很多技術(shù)突破.其中以氧化鎵為代表的半導體器件在某些方面可能超越氮化鎵和碳化硅器件,有望成為世界上第七大半導體技術(shù),得到了大量的關(guān)注.當然,氧化鎵也存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn),比如低導熱系數(shù)和p 型參雜.氧化鎵器件的熱管理將成為其是否能規(guī)模化發(fā)展的一個重要技術(shù)指標.
2 半導體器件中的產(chǎn)熱和熱管理
半導體電子器件都會有焦耳熱的產(chǎn)生,電學特性往往是與熱學和力學相耦合的,所以熱學、電學和力學協(xié)同設(shè)計成為未來技術(shù)發(fā)展的一個方向.下面以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)為例,討論近節(jié)點的產(chǎn)熱和熱管理.最新的金剛石基底GaN HEMT 的近節(jié)點熱流密度可以達到太陽表面熱流密度的10 倍以上.節(jié)點溫度直接關(guān)系到器件的壽命和穩(wěn)定性,進而影響整個設(shè)備的可靠性.如圖1所示,柵極附近有大的電壓變化,熱點存在于節(jié)點附近.柵極附近產(chǎn)生的熱通過高導熱襯底散熱/均熱.從熱源到熱沉的熱阻有氮化鎵層的熱阻,氮化鎵與襯底的界面熱阻,還有襯底的熱阻.對于特定的器件結(jié)構(gòu),氮化鎵層的熱阻無法改變.所以研究集中在后2 個熱阻的減小上面.對于GaN HEMT,在一些重要應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅襯底的器件(GaN-on-SiC)正在逐步取代硅襯底(GaN-on-Si),一個重要的原因就是考慮到碳化硅的導熱系數(shù)(380 W·m—1·K—1)大于硅的導熱系數(shù)(149 W·m—1·K—1).
圖1 基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管的示意圖和節(jié)點附近的電場分布.熱點位于柵極附近Fig.1.The schematic diagram of a GaN high electron mobility transistors (HEMT) and the electric field distribution across the channel.The hotspot is located close to the gate.
使用比碳化硅導熱系數(shù)更高的金剛石作為襯底來散熱,金剛石襯底的氮化鎵器件(GaN-ondiamond)也發(fā)展了十幾年,其中的難點仍在于金剛石的質(zhì)量和金剛石和氮化鎵異質(zhì)結(jié)合的界面熱阻.GaN-on-diamond 目前的工藝是在硅襯底上生長氮化鎵器件,然后把硅襯底腐蝕掉.在去掉硅暴露出來的氮化鎵上面生長一層保護層之后,直接在上面利用氣相沉積法生長金剛石[1].接近氮化鎵界面處的金剛石是納米晶體,其導熱系數(shù)只有數(shù)十W·m—1·K—1,遠小于金剛石單晶體的導熱系數(shù)(＞2000 W·m—1·K—1)[2].氮化鎵上面生長的保護層也增加了氮化鎵和金剛石之間的界面熱阻[3].
超寬禁帶半導體,比如β相氧化鎵(β-Ga2O3)由于近十年來晶體生長技術(shù)的突破,氧化鎵可以從熔體中生長大單晶,有望大規(guī)模供應(yīng)成本低廉的單晶體[4].氧化鎵的超寬禁帶使其擁有高擊穿電壓,而且氧化鎵的n 型參雜表現(xiàn)優(yōu)異,歐姆和肖特基接觸也可以使用常規(guī)金屬.但是相比于其他的寬禁帶半導體材料,氧化鎵由于其復雜的晶體結(jié)構(gòu)導致其導熱很低(10—27 W·m—1·K—1)而且具有很強的各向異性[5].散熱問題將會是阻礙大規(guī)模應(yīng)用的一個短板.所以,要想將器件中的熱量導出,需要使用高導熱系數(shù)的襯底[6,7].如圖1所示,柵極附近產(chǎn)生的熱量通過高導熱襯底散熱需要經(jīng)過的熱阻包括氧化鎵本身的熱阻.因為氧化鎵導熱系數(shù)低,自身的熱阻就很大,所以需要減小氧化鎵的厚度來減小熱阻.如果在氧化鎵襯底上面直接生長氧化鎵器件,將導致熱積累而出現(xiàn)穩(wěn)定性問題.除了氧化鎵的其他超寬禁帶半導體,氮化鋁鎵由于是合金,所以導熱系數(shù)也只有幾十W·m—1·K—1,但是氮化硼、氮化鋁和金剛石的導熱系數(shù)卻很高.
3 高界面熱導的異質(zhì)鍵合界面
如圖1所示,器件上面的熱點通過高導熱襯底散熱,需要經(jīng)過3 個熱阻:半導體器件自身的熱阻、器件和襯底界面的熱阻、襯底的熱阻.一旦器件和襯底選定,熱阻即為固定值,界面熱阻在總熱阻中的占比很大,且可以通過研究來降低,下文將重點討論界面熱阻.
為了將高導熱材料結(jié)合到熱點附近,近年來作者和合作者們研究了一系列異質(zhì)鍵合界面的界面熱導,發(fā)現(xiàn)常溫直接鍵合技術(shù)可以將氮化鎵和氧化鎵直接在常溫下鍵合到高導熱襯底上,并且鍵合的界面具有高界面熱導,這為相關(guān)器件的散熱提供了除了生長以外的另外一條熱管理技術(shù)路線.我們成功把晶圓級別的氮化鎵和碳化硅鍵合在一起,其界面導熱達到了文獻中的最高值(230 MW·m—2·K—1)[8].鍵合的界面不僅去掉了直接生長界面所需的氮化鋁緩沖層的熱阻,也去掉了直接生長界面附近低質(zhì)量氮化鎵,鍵合的氮化鎵具有高導熱系數(shù)[8].另外,我們將單晶體金剛石和氮化鎵在常溫下鍵合,得到了較高的界面熱導(92 MW·m—2·K—1),計算結(jié)果顯示冷卻效果接近金剛石散熱效果的極限值[9].常溫鍵合還可以最大程度減小高溫操作可能帶來的熱應(yīng)力問題.相比于在氮化鎵上使用氣相沉積法生長多晶體或者納米晶體金剛石,鍵合法不需要保護層,增大了界面熱導[9].并且直接把單晶體金剛石鍵合到氮化鎵上面,導熱效率大幅度提升[9].最近加州大學洛杉磯分校的胡永杰課題組[10]報道了把氮化鎵鍵合到砷化硼上面,并得到了高界面導熱(250 MW·m—2·K—1),在某些工況下面散熱效果甚至超過了直接生長的多晶體金剛石，但是高質(zhì)量砷化硼晶體只能長到毫米尺寸且本身導電，阻礙了真正的實際應(yīng)用.
上面我們提到氧化鎵器件不僅需要高的界面熱導還需要自身很薄,所以作者和合作者們報道了使用離子切割來剝離納米級別的單晶體晶圓級別的氧化鎵薄膜異質(zhì)鍵合在高導熱襯底上,我們發(fā)現(xiàn)鍵合的界面具有高的界面熱導[11,12].同時,最近有模擬研究提出,還可以使用雙面散熱,除了通過高導熱襯底,也可以額外通過柵極電極的金屬來均熱,從上方將一部分熱導出[13].
以上散熱策略有一個關(guān)鍵點,即涉及大量的界面?zhèn)鳠?包括不同材料之間的界面:金屬和半導體、半導體和半導體界面;不同生長條件下的界面:鍵合、蒸鍍、濺射、分子束外延、有機金屬化學氣相沉積法、氫化物氣相外延等生成的界面.總之,界面?zhèn)鳠釋τ诎雽w器件的熱管理至關(guān)重要.
4 半導體器件中界面導熱的科學問題
4.1 界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫?/h3>
界面?zhèn)鳠嵘婕安煌哪芰枯d體、不同的輸運機制、不同的界面結(jié)構(gòu)細節(jié).對于界面?zhèn)鳠岬睦斫庖恢笔且粋€難題.關(guān)于界面?zhèn)鳠岬睦碚摾斫?最開始的擴散失配模型(DMM)和聲學失配模型(AMM)假設(shè)聲子以一定的概率穿過界面,從而完成熱交換.這兩種模型無法考慮界面處的結(jié)構(gòu),只是根據(jù)基于組成界面的兩個材料的聲子特性來計算聲子透射率,并且只能計算彈性過程.后來發(fā)展出來的原子格林方程(AGF)可以考慮界面的細節(jié),但是很難計算非彈性過程對界面導熱的影響,并且計算量特別大[14].前面提到的模型都是基于朗道模型和聲子透射概率.DMM和AMM 是基于聲子氣模型.然而界面處是非對稱結(jié)構(gòu),而且往往真實的界面會有很多的結(jié)構(gòu)混亂,這與聲子氣模型的完美周期性晶格假設(shè)沖突.AGF 依然使用大塊體材料的聲子來描述界面導熱.所以界面處的熱傳輸理論需要更好的模型和物理理解[15].近年來,也有一些研究者提出一些改進模型,比如:混合失配模型[16]、交叉界面弱耦合模型[17]、最大透射模型[18]、散射調(diào)節(jié)聲學失配模型[19]和非諧波非彈性模型[20]等.
隨著分子動力學應(yīng)用于界面?zhèn)鳠岬挠嬎?非彈性過程對界面熱導的貢獻可以被計算出來.更多更豐富的振動模式在界面處被預測出來(界面聲子態(tài)),它們完全與界面兩側(cè)材料的大塊體聲子特性完全不同,并且對界面?zhèn)鳠嵊泻艽蟮闹苯雍烷g接的貢獻.界面聲子態(tài)的理論預測和實驗驗證最近取得了很多的進展[21-25].但是分子動力學計算本身是基于經(jīng)典力學,沒有辦法考慮量子效應(yīng),對界面熱導的預測在低溫時影響較大.界面?zhèn)鳠岬挠嬎愫褪褂玫脑娱g作用勢能有非常大的關(guān)系,所以分子動力學的結(jié)果往往只能做定性的分析.迄今為止,一個完整的基于第一性原理的計算界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ瓦€不存在,這是一個巨大的挑戰(zhàn)[26].
4.2 界面?zhèn)鳠岬膶嶒炋剿?/h3>
實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),界面的元素混合情況、結(jié)構(gòu)混亂程度、界面結(jié)合力、化學鍵、晶體方向、粗糙度等都會影響界面?zhèn)鳠醄27-29].目前完整考慮這些因素的理論計算模型較少[30],導致實驗測量的界面往往和模型計算的界面不同.這阻礙了對界面?zhèn)鳠岬睦斫?不同的材料往往擁有不一樣的晶格常數(shù),這使界面處的原子并不是完美的排列,在真實的界面中結(jié)構(gòu)缺陷或位錯往往不可避免.這些真實的界面結(jié)構(gòu)可以激發(fā)理論科學家對界面?zhèn)鳠岬睦斫?所以,對界面進行高精度的材料結(jié)構(gòu)表征尤其重要.配合大量的實驗數(shù)據(jù),通過機器學習或大數(shù)據(jù)的方法來尋找理解和預測界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ蛯⒊蔀榭赡?
目前實驗測量的界面導熱數(shù)據(jù)非常有限,只有幾十個界面被測量過,其中絕大部分是通過時域熱反射方法進行測量.所以未來需要發(fā)展可以快速批量自動化測量界面導熱的方法.再者,目前的界面熱導測量仍然是基于經(jīng)典傅里葉定律的數(shù)據(jù)分析,未來發(fā)展可以測量單個聲子模式界面熱導的測量方法也是一個值得研究的方向.
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