Ahogy a mesterséges intelligencia chipek és a harmadik -generációs rádiófrekvenciás eszközök folyamatosan fejlődnek a nagyobb teljesítmény és nagyobb hőáram-sűrűség felé, a félvezető hőkezelési iparág versenylogikája alapvető változáson ment keresztül. Számos csúcskategóriás eszközmeghibásodási forgatókönyv esetén a kiváltó ok már nem az alapvető hőelvezető anyagok elégtelen hővezető képessége, Az alumínium-nitrid (AlN), mint reprezentatív, nagy hővezető képességű kerámiaanyag, felületi mikroszerkezetének tisztasága és{6}}finom skálaszabályozása a nagy teljesítményű félvezetők teljesítményét és élettartamát befolyásoló kritikus tényezővé vált.
1. Tudományos áttörés: ion-beültetés-indukált nukleációs technológia
A nagy teljesítményű eszközök epitaxiális interfészeinek nagy hibasűrűsége és nagy hőellenállása okozta ipari fájdalmak kezelésére csapatunk kifejlesztett egy ion-implantáció-indukált gócképző technológiát, amely pontosan szabályozza az AlN vékonyrétegek jól rendezett réteges struktúrákká történő növekedését, hatékonyan megoldva a véletlenszerű növekedési hibák} hagyományos eljárások. Kísérleti mérések azt mutatják, hogy ez a folyamat a határfelületi hőellenállást a hagyományos szerkezetek egy-harmadára csökkenti. Ez az áttörés az AlN-t egy egyszerű kiegészítő kötőanyagból egy univerzális integrált interfész platformmá emeli, amely kompatibilis a különböző félvezető anyagokkal. Ez is megerősít egy iparági trendet: a félvezetők teljesítményének növelése többé nem függ egymásra rakott hordozó paraméterektől; inkább a nagy-tisztaságú,{10}}szegény hibás AlN interfészrétegek válnak az alapvető lehetővé teszi. Az AlN egyesíti a magas hővezető képességet, a magas elektromos szigetelést és a hőtágulási együtthatót, amely közel áll a szilícium-karbidhoz (SiC), és meglehetősen közel áll a gallium-nitridhez (GaN), így nélkülözhetetlen interfész-funkcionális anyag a heteroepitaxiás és precíziós eszközök csomagolásához.
2. Oxigénszennyeződés-szabályozás: A vékony{1}}film interfész megbízhatóságát meghatározó fő változó
Az interfész teljesítménye végső soron magának az AlN vékonyrétegnek a kristályminőségétől és szennyeződés-szabályozásától függ. Az egy-kristály AlN elméleti hővezető képessége elérheti a 320 W/(m·K) értéket, így ideális hőelvezető anyag. Az epitaxiálisan növesztett vékony filmek teljesítményét azonban korlátozzák a kristályhibák és a szennyeződéstartalom. A filmben lévő oxigénszennyeződések a hővezető képességet korlátozó és a határfelületi stabilitást befolyásoló kulcstényezők. Az AlN nagy kémiai aktivitással rendelkezik, és hajlamos oxigénatomok beépülésére az epitaxiális növekedés során. Amint az oxigénatomok belépnek a kristályrácsba, alumínium üresedéseket képeznek, a rács torzulását idézik elő, és fokozzák a fononszórást, ezáltal csökkentve a film belső hővezető képességét.
Az oxigénszennyeződéseknek a félvezető eszközökre gyakorolt hatása azok élettartama alatt fennáll. A rácson belüli oldott oxigén tartósan károsítja a kristályszerkezetet; a filmben lévő maradék oxigén hibakomplexeket képez a magas hőmérsékletű{1}}működés során, ami tovább rontja a határfelületi hőellenállást. Olyan környezetben, ahol gyakori a hőciklus, ezek a hibák fokozatosan felhalmozódnak, ami a határfelületi hőellenállás folyamatos növekedéséhez vezet. A hosszú távú-működés során az eszközök hajlamosak a teljesítménycsökkenésre, és csökken a megbízhatóságuk. Ezért az alacsony-oxigéntartalmú, nagy-kristályosságú AlN vékonyrétegek előállítása a nagy teljesítményű eszközök teljesítménye terén elért áttörés kritikus műszaki irányává vált.
3. Összegzés és kitekintés
Jelenleg Kína szilárd elméleti és kísérleti kutatási alapot épített ki az AlN vékonyrétegek területén. Új növekedési technikákkal, például ionimplantációval, alacsony hőállósággal, jól strukturált vékony filmek állíthatók elő laboratóriumi méretekben. Ezek a fejlett határfelület-előkészítési technológiák azonban még nem érettek ipari alkalmazásra a magas gyártási költségek, az alacsony tételhozam és az elégtelen folyamat-kompatibilitás miatt. Ennek eredményeként a nagy teljesítményű AlN vékonyrétegek még nem alkalmazhatók széles körben a csúcskategóriás-félvezető eszközökben.
Mivel a csúcskategóriás-vékony{1}}interfészek tömeggyártási technológiája nem valósult meg, a hazai hőkezelési megoldások jelentős kihívásokkal szembesülnek a nagy-értékű alkalmazásokban, mint például az autóipari-minőségű chipek, a csúcskategóriás számítási chipek és a magas-frekvenciás rádiófrekvenciás eszközök tartósan alacsony penetráció mellett. A szűk keresztmetszet a vékony{7}}filmes felületek nem megfelelő szerkezeti stabilitásában rejlik hosszú távú hőciklus mellett.
A jövőbeli iparági fejlesztéseknek továbbra is az AlN vékonyréteg-növekedési folyamatainak iteratív optimalizálására kell összpontosítaniuk, folyamatosan javítva a kulcsfontosságú szempontokat, például a nagy-tisztaságú növekedési környezet kialakítását és a nagy-tisztaságú prekurzor gázok tisztítását, miközben szigorúan ellenőrizni kell a káros szennyeződések, például az oxigén beépülését a rácsba. Az iparágnak prioritásként kell kezelnie az olyan kritikus problémák megoldását, mint a vékony-fóliagyártás kötegelt---konzisztenciája, a határfelületi kötési szilárdság és a hosszú távú-szolgáltatási stabilitás, miközben folyamatosan csökkenti a gyártási költségeket és felgyorsítja a laboratóriumi technológiák kereskedelmi forgalomba hozatalát. A nagy teljesítményű AlN vékony fóliák csak így juthatnak el igazán széles körű kereskedelmi forgalomba, és segíthetnek leküzdeni a belső termikus szűk keresztmetszetet Kína hazai nagyteljesítményű{10}}félvezetőipara számára.