Pe măsură ce cipurile de calcul AI și dispozitivele RF de-generația a treia continuă să evolueze către o putere mai mare și densități mai mari de flux de căldură, logica competitivă a industriei de management termic al semiconductoarelor a suferit o schimbare fundamentală. În multe scenarii de defectare a dispozitivelor de vârf-, cauza principală nu mai este conductivitatea termică insuficientă a materialelor de bază-dissipative de căldură, ci mai degrabă rezistența termică interfațală ridicată și stabilitatea structurală slabă în condiții de cicluri de temperatură-înaltă. Nitrura de aluminiu (AlN), ca material ceramic reprezentativ cu conductivitate termică ridicată, a văzut puritatea și controlul la scară-fină a microstructurii sale interfațale devenind factori critici care afectează performanța și durata de viață a semiconductorilor de putere-înaltă.
1. Descoperire academică:-implantare-tehnologie de nucleare indusă de ioni
Pentru a aborda punctele dureroase ale industriei de densitate mare a defectelor și rezistență termică ridicată la interfețele epitaxiale în dispozitivele de-putere mare, echipa noastră a dezvoltat o tehnologie de nucleare indusă de-implantare-ioni care controlează cu precizie creșterea filmelor subțiri de AlN în straturile bine-ordonate, rezolvând problemele de acumulare, cum ar fi insulele, defectele}4} creștere aleatorie observată în procesele convenționale. Măsurătorile experimentale arată că acest proces reduce rezistența termică a interfeței la o-treime din cea a structurilor tradiționale. Această descoperire ridică AlN de la un simplu material de legătură auxiliar la o platformă de interfață integrată universală compatibilă cu o varietate de materiale semiconductoare. De asemenea, confirmă o tendință în industrie: îmbunătățirea performanței puterii semiconductoarelor nu se mai bazează pe parametrii de stivuire a substratului; mai degrabă, straturile de interfață AlN de-puritate ridicată,{10}}defect reduse devin elementul de activare principal. AlN combină o conductivitate termică ridicată, izolație electrică ridicată și un coeficient de dilatare termică care se potrivește îndeaproape cu carbura de siliciu (SiC) și este destul de aproape de nitrura de galiu (GaN), făcându-l un material funcțional interfacial indispensabil pentru heteroepitaxie și ambalarea dispozitivelor de precizie.
2. Controlul impurităților de oxigen: variabila de bază care determină fiabilitatea interfeței filmului subțire-
Performanța interfeței depinde în cele din urmă de calitatea cristalului și de controlul impurităților peliculei subțiri de AlN în sine. Conductivitatea termică teoretică a monocristalului AlN poate atinge 320 W/(m·K), făcându-l un material ideal-disipator de căldură. Cu toate acestea, performanța filmelor subțiri crescute epitaxial este limitată de defecte de cristal și de conținutul de impurități. Impuritățile de oxigen din peliculă sunt factorul cheie care limitează conductivitatea termică și afectează stabilitatea interfeței. AlN are activitate chimică ridicată și este predispus să încorporeze atomi de oxigen în timpul creșterii epitaxiale. Odată ce atomii de oxigen intră în rețeaua cristalină, ei formează locuri libere de aluminiu, induc distorsiunea rețelei și îmbunătățesc împrăștierea fononilor, reducând astfel conductivitatea termică intrinsecă a filmului.
Impactul impurităților de oxigen asupra dispozitivelor semiconductoare persistă pe toată durata de viață a acestora. Oxigenul dizolvat în rețea dăunează permanent structurii cristaline; oxigenul rezidual din peliculă formează complexe de defecte în timpul funcționării la temperatură înaltă, exacerbând rezistența termică a interfeței. În mediile cu cicluri termice frecvente, aceste defecte se acumulează treptat, ducând la o creștere continuă a rezistenței termice interfațale. Pe termen lung de funcționare-dispozitivele sunt predispuse la degradarea puterii și la o fiabilitate redusă. Prin urmare, pregătirea peliculelor subțiri de AlN cu-oxigen scăzut,-cristalinitate ridicată a devenit o direcție tehnică critică pentru progrese în performanța dispozitivelor de-înaltă putere.
3. Rezumat și Outlook
În prezent, China a construit o bază solidă de cercetare teoretică și experimentală în domeniul filmelor subțiri de AlN. Folosind tehnici noi de creștere, cum ar fi implantarea ionică, rezistența termică scăzută, se pot produce pelicule subțiri bine-estructurate la scară de laborator. Cu toate acestea, aceste tehnologii avansate de pregătire a interfeței nu s-au maturizat încă pentru aplicații industriale din cauza costurilor ridicate de fabricație, a randamentului scăzut al lotului și a compatibilității insuficiente cu procesele. Ca rezultat, peliculele subțiri de-AlN de înaltă performanță nu pot fi încă adoptate pe scară largă în dispozitivele semiconductoare-de ultimă generație.
Deoarece nu a fost realizată tehnologia de producție în masă pentru interfețele cu peliculă subțire{-de înaltă calitate-, soluțiile interne de management termic se confruntă cu provocări semnificative în aplicațiile de-valoare înaltă, cum ar fi cipurile de calitate-auto, cipurile de calcul-de ultimă generație și dispozitivele RF de-frecvență înaltă, cu rate de penetrare persistent scăzute. Blocajul central constă în stabilitatea structurală inadecvată a interfețelor de-film subțire în condiții de-ciclu termic pe termen lung.
Dezvoltarea viitoare a industriei ar trebui să se concentreze în continuare pe optimizarea iterativă a proceselor de creștere-a peliculei subțiri de AlN, îmbunătățind constant aspectele cheie, cum ar fi stabilirea unor medii de creștere de-puritate ridicată și purificarea gazelor precursoare de-puritate ridicată, controlând în același timp în mod riguros încorporarea impurităților dăunătoare precum oxigenul în lattice. Industria trebuie să acorde prioritate rezolvării problemelor critice, cum ar fi consistența lot-la{-fabricarea filmului subțire-, rezistența interfeței de legătură și stabilitatea serviciului pe termen lung-, reducând în același timp costurile de producție și accelerând comercializarea tehnologiilor de laborator. Numai atunci filmele subțiri de-AlN de înaltă performanță pot obține cu adevărat adoptarea comercială pe scară largă și pot ajuta la depășirea blocajului termic intern pentru industria internă a semiconductoarelor de-putere înaltă din China.