Kuna tehisintellekti kiibid ja kolmanda -põlvkonna RF-seadmed arenevad jätkuvalt suurema võimsuse ja suurema soojusvoo tiheduse poole, on pooljuhtide soojusjuhtimise tööstuse konkurentsiloogika läbi teinud põhjaliku nihke. Paljude tipptasemel-seadmete rikkestsenaariumide korral ei ole algpõhjus enam põhiliste soojust -hajutavate materjalide ebapiisav soojusjuhtivus, vaid pigem liidese kõrge soojustakistus ja halb struktuurne stabiilsus kõrgel-temperatuuri tsüklitingimustes. Alumiiniumnitriid (AlN) kui tüüpiline kõrge soojusjuhtivusega keraamiline materjal on näinud, et selle liidese mikrostruktuuri puhtus ja peen{6}}skaala juhtimine on muutunud kriitilisteks teguriteks, mis mõjutavad suure võimsusega{7}}pooljuhtide jõudlust ja kasutusiga.
1. Akadeemiline läbimurre: ioon-implantatsiooni-indutseeritud tuumatehnoloogia
Kõrge võimsusega seadmete suure defektitiheduse ja kõrge soojustakistusega seotud valupunktide lahendamiseks suure võimsusega seadmete epitaksiliste liideste puhul on meie meeskond välja töötanud ioon-implantatsiooniga-indutseeritud tuumamistehnoloogia, mis kontrollib täpselt AlN õhukeste kilede kasvamist hästi-korrastatud kihilisteks struktuurideks, lahendades tõhusalt juhusliku saarte kasvuprobleemi, mis on põhjustatud juhuslikust kasvust. tavapärased protsessid. Eksperimentaalsed mõõtmised näitavad, et see protsess vähendab liidese soojustakistust ühe-kolmandikuni traditsiooniliste struktuuride omast. See läbimurre tõstab AlN-i lihtsast abisidematerjalist universaalseks integreeritud liideseplatvormiks, mis ühildub mitmesuguste pooljuhtmaterjalidega. See kinnitab ka tööstuse suundumust: pooljuhtide võimsuse suurendamine ei sõltu enam virnastatavatest substraadi parameetritest; Pigem saavad põhiliseks võimaldajaks kõrge-puhtusega ja madala{10}}defektiga AlN-liidese kihid. AlN ühendab endas kõrge soojusjuhtivuse, kõrge elektriisolatsiooni ja soojuspaisumise koefitsiendi, mis vastab täpselt ränikarbiidile (SiC) ja on üsna lähedal galliumnitriidile (GaN), muutes selle asendamatuks liidese funktsionaalmaterjaliks heteroepitaksia ja täppisseadmete pakendamiseks.
2. Hapniku lisandite kontroll: põhimuutuja, mis määrab õhukese-kile liidese töökindluse
Liidese jõudlus sõltub lõppkokkuvõttes AlN õhukese kile enda kristallide kvaliteedist ja lisandite kontrollist. Üksik-kristalli AlN teoreetiline soojusjuhtivus võib ulatuda 320 W/(m·K), mistõttu on see ideaalne soojust-hajutav materjal. Kuid epitaksiaalselt kasvatatud õhukeste kilede jõudlust piiravad kristallide defektid ja lisandite sisaldus. Kiles sisalduvad hapnikulisandid on võtmetegur, mis piirab soojusjuhtivust ja mõjutab liidese stabiilsust. AlN-l on kõrge keemiline aktiivsus ja see on altid hapnikuaatomite kaasamisele epitaksiaalse kasvu ajal. Kui hapnikuaatomid sisenevad kristallvõre, moodustavad need alumiiniumist tühjad kohad, indutseerivad võre moonutusi ja suurendavad fonoonide hajumist, vähendades seeläbi kile sisemist soojusjuhtivust.
Hapniku lisandite mõju pooljuhtseadmetele püsib kogu nende kasutusaja jooksul. Lahustunud hapnik võres kahjustab jäädavalt kristallstruktuuri; kile jääkhapnik moodustab kõrgel temperatuuril{1}}töötamise ajal defektseid komplekse, mis suurendab liidese soojustakistust. Sagedase termilise tsükliga keskkondades kuhjuvad need vead järk-järgult, mis viib liidese soojustakistuse pideva suurenemiseni. Pikaajalisel-kasutamisel võivad seadmed võimsust halvendada ja töökindlus väheneda. Seetõttu on madala-hapniku ja kõrge-kristallilisusega AlN õhukeste kilede valmistamine muutunud kriitiliseks tehniliseks suunaks suure-võimsusega seadmete jõudluse saavutamisel.
3. Kokkuvõte ja väljavaade
Praegu on Hiina AlN õhukeste kilede valdkonnas loonud tugeva teoreetilise ja eksperimentaalse uurimisaluse. Kasutades uudseid kasvutehnikaid, nagu ioonide implanteerimine, madala soojustakistusega, saab laboris toota hästi-struktureeritud õhukesi kilesid. Kuid need täiustatud liidese ettevalmistustehnoloogiad ei ole veel tööstuslikuks kasutamiseks küpsed kõrgete tootmiskulude, madala partii saagise ja ebapiisava protsesside ühilduvuse tõttu. Selle tulemusel ei saa suure jõudlusega-AlN õhukesi kilesid tipptasemel-pooljuhtseadmetes veel laialdaselt kasutusele võtta.
Kuna tipptasemel-õhukesekile-liideste masstootmise tehnoloogiat ei ole saavutatud, seisavad kodumaised soojusjuhtimislahendused silmitsi suurte väljakutsetega kõrge-väärtuslike rakenduste puhul, nagu autotööstuse-klassi kiibid, tipptasemel-arvutuskiibid ja kõrge sagedusega RF-seadmed, mille läbitungimiskiirus on püsivalt madal. Peamine kitsaskoht seisneb õhukese{7}kile liideste ebapiisavas struktuurses stabiilsuses pikaajalistes soojustsüklitingimustes.
Tulevane tööstuse areng peaks jätkuvalt keskenduma AlN õhukese{0} kile kasvuprotsesside iteratiivsele optimeerimisele, parandades pidevalt peamisi aspekte, nagu kõrge-puhtusega kasvukeskkondade loomine ja kõrge -puhtusega lähtegaaside puhastamine, kontrollides samal ajal rangelt kahjulike lisandite, nagu hapniku, lisamist võresse. Tööstus peab esmatähtsaks seadma selliste kriitiliste probleemide lahendamist nagu õhukese-kile valmistamise partiide -to-konsistents, liidese tugevus ja pikaajaline -teenuse stabiilsus, vähendades samal ajal pidevalt tootmiskulusid ja kiirendades laboritehnoloogiate turustamist. Alles siis võivad suure jõudlusega AlN õhukesed kiled saada tõeliselt laialdase kaubandusliku kasutuselevõtu ja aidata ületada Hiina kodumaise suure võimsusega{10}}pooljuhtide tööstuse sisemise termilise kitsaskoha.