高导热Si/SiC基β-Ga2O3异质集成晶圆的热输运性质研究
文摘
科学
2024-03-31 16:40
安徽
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来源：上海微系统所，集成电路材料全国重点实验室，异质集成XOI课题组中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组基于“万能离子刀”剥离和表面激活键合技术制备了β-Ga2O3−Al2O3−Si (GaOISi)，β-Ga2O3−SiC (GaOSiC)和β-Ga2O3−Al2O3−SiC (GaOISiC)三种晶圆级异质集成材料，并通过后退火工艺实现了较高的β-Ga2O3薄膜热导率和较低的有效界面热阻，展现出优秀的散热性能。相关研究成果以“Thermal Transport Properties of β‑Ga2O3Thin Films on Si and SiC Substrates Fabricated by an Ion-Cutting Process”为题在线发表在ACS Applied Electronic Materials期刊上。论文的共同第一作者分别为上海微系统所的博士后徐文慧，研究生赵天成和哈尔滨工业大学（深圳）的研究生张亮辉，论文通讯作者为上海微系统所游天桂研究员和欧欣研究员及合作单位哈尔滨工业大学（深圳）的孙华锐教授和西安电子科技大学的韩根全教授。β-Ga2O3由于具有4.9 eV的超宽带隙、极高的击穿电压、优异的热稳定性以及有望低成本批量生产而在电力电子领域的应用中被广泛关注。但β-Ga2O3的热导率（仅10-30
W/m·K）较低，功率器件的近结区温度会由于自热效应而大幅上升。β-Ga2O3与高导热衬底（如SiC或金刚石）的异质集成是解决散热问题的有效方案之一，目前主要有机械剥离、异质外延生长和离子束剥离技术这三种可行方法。机械剥离只能制备微米大小的β-Ga2O3薄片，且胶带转移工艺与传统的半导体设备不兼容，不适用于晶圆级制造。异质外延生长则需要克服由β-Ga2O3和高导热衬底之间的晶格/热失配引起的缺陷和孪晶问题。而离子束剥离技术与晶圆键合和离子注入设备兼容，且已用于SOI晶圆的工业应用，最适合大规模生产异质集成β-Ga2O3晶圆。在之前工作中，通过瞬态热反射（TTR）测量研究了具有厚度为20 nm的中间Al2O3非晶层的GaOISiC的热传输特性。异质集成材料的热传输特性主要受β-Ga2O3薄膜的热导率、异质宿主衬底和界面层的有效界面热阻（TBReff）的影响。其中TBReff的值在很大程度上取决于非晶层的厚度和热导率以及键合强度。此外，尽管通过与高导热的SiC相结合可以显著提高β-Ga2O3异质集成材料的散热性能，但SiC的材料昂贵。而硅片不仅具有良好的导热性，还具有成本低且与CMOS技术高度兼容的优点，是一种更有前途的β-Ga2O3异质集成材料的宿主衬底。本次工作中从不同的方面系统地分析了β-Ga2O3异质集成材料的热传输特性，包括衬底类型、TBReff值和退火条件。通过比较GaOSiC和GaOISiC在退火前后的热传输特性，阐明了非晶Al2O3中间层的影响。此外，还研究了刚转移（AT）和经过后退火（PA）的GaOISi的热传输特性，以证明GaOISi器件的散热能力。最后，建立了一个基于β-Ga2O3异质集成材料的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）热模型，以评估不同TBReff值和衬底对散热的影响，这将为β-Ga2O3异质集成材料热管理的临界TBReff值和适用衬底提供指导。图1 (a)β-Ga2O3异质集成材料的制备工艺流程；(b)样品结构和热反射率测量方法示意图；(c)GaOSiC-AT和GaOSiC-PA的归一化瞬态热反射率曲线，虚线分别表示GaO块体和SiC块体；(d)GaOSiC和GaOISiC后退火前后归一化瞬态热反射率曲线的比较。通过后退火工艺，中间非晶Al2O3层对从β-Ga2O3向SiC散热的阻碍效应得到了极大的缓解。同时发现Al2O3层防止了β-Ga2O3和宿主衬底中间的元素互扩散，从而避免了β-Ga2O3在后退火后热导率降低。由此实现了高达9.3 W/m·K的β-Ga2O3薄膜热导率。图2 (a)后退火前后GaOSiC、GaOISiC和GaOISi异质集成材料中β-Ga2O3薄膜热导率的比较；(b)不同方法制备的β-Ga2O3薄膜的厚度相关热导率。蓝色虚线表示β-Ga2O3块体在(-201)取向上的热导率；(c)后退火前后GaOSiC、GaOISiC和GaOISi异质集成材料中TBReff的比较。根据热仿真结果显示，β-Ga2O3异质集成MOSFET的器件热阻减少了1到2个数量级，说明高导热衬底集成和有效界面热阻优化的方法可实现高效的散热。以上结果为用于器件热管理的β-Ga2O3异质集成材料的热输运性质的设计提供了重要指导。图3 (a)β-Ga2O3 MOSFET的截面示意结构；(b)基于β-Ga2O3、Si、AlN、SiC和金刚石衬底的β-Ga2O3 MOSFET的模拟峰值温度；(c)β-Ga2O3MOSFET的模拟峰值温升随TBReff在不同衬底上的变化而变化；(d)β-Ga2O3 MOSFET的模拟峰值温度上升随不同衬底上施加的功率而变化。氧化镓与高导热衬底异质集成是解决氧化镓器件散热的关键手段。本论文发现硅基氧化镓不仅有优异的散热能力，通过高温退火和介质层键合工艺，热导率与体材料热导率想接近，界面热阻降低到10 m2K/GW以下；同时结合较低的制备成本，有利于推动低成本、高导热氧化镓异质集成材料与器件的市场化应用。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.3c01614
