Καθώς τα τσιπ υπολογιστών AI και οι συσκευές ραδιοσυχνοτήτων τρίτης{{0} γενιάς συνεχίζουν να εξελίσσονται προς υψηλότερη ισχύ και υψηλότερες πυκνότητες ροής θερμότητας, η ανταγωνιστική λογική της βιομηχανίας θερμικής διαχείρισης ημιαγωγών έχει υποστεί μια θεμελιώδη αλλαγή. Σε πολλά σενάρια αστοχίας συσκευής υψηλού-τελικού, η βασική αιτία δεν είναι πλέον η ανεπαρκής θερμική αγωγιμότητα των βασικών υλικών που διαχέουν θερμότητα{{3}, αλλά μάλλον η υψηλή θερμική αντίσταση διεπιφανειών και η κακή δομική σταθερότητα υπό συνθήκες κύκλου υψηλών-θερμοκρασιών. Το νιτρίδιο του αλουμινίου (AlN), ως αντιπροσωπευτικό κεραμικό υλικό υψηλής θερμικής αγωγιμότητας, έχει δει την καθαρότητα και τον έλεγχο λεπτής κλίμακας της μικροδομής της διεπαφής του να γίνονται κρίσιμοι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση και τη διάρκεια ζωής των ημιαγωγών υψηλής ισχύος{{7}.
1. Ακαδημαϊκή ανακάλυψη: Τεχνολογία πυρήνων που προκαλείται από ιόντα-Εμφύτευση-
Για την αντιμετώπιση των σημείων πόνου της βιομηχανίας υψηλής πυκνότητας ελαττώματος και υψηλής θερμικής αντίστασης σε επιταξιακές διεπαφές σε συσκευές υψηλής ισχύος-, η ομάδα μας έχει αναπτύξει μια τεχνολογία πυρήνωσης που προκαλείται από ιόντα-εμφύτευση-που ελέγχει με ακρίβεια την ανάπτυξη των λεπτών μεμβρανών AlN σε καλά-διατεταγμένες δομές επίλυσης{4}, που προκαλούνται αποτελεσματικά από τα προβλήματα επαναλύσεως τυχαία ανάπτυξη που παρατηρείται σε συμβατικές διαδικασίες. Πειραματικές μετρήσεις δείχνουν ότι αυτή η διαδικασία μειώνει τη διεπιφανειακή θερμική αντίσταση στο ένα-ένα τρίτο αυτής των παραδοσιακών κατασκευών. Αυτή η σημαντική ανακάλυψη ανεβάζει το AlN από ένα απλό βοηθητικό υλικό συγκόλλησης σε μια καθολική ενσωματωμένη πλατφόρμα διεπαφής συμβατή με μια ποικιλία υλικών ημιαγωγών. Επιβεβαιώνει επίσης μια τάση του κλάδου: η βελτίωση της απόδοσης ισχύος ημιαγωγών δεν βασίζεται πλέον στις παραμέτρους του υποστρώματος στοίβαξης. Αντίθετα, τα επίπεδα διεπαφής AlN υψηλής-καθαρότητας, χαμηλού{10}}ελαττώματος γίνονται ο βασικός ενεργοποιητής. Το AlN συνδυάζει υψηλή θερμική αγωγιμότητα, υψηλή ηλεκτρική μόνωση και συντελεστή θερμικής διαστολής που ταιριάζει στενά με το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και είναι αρκετά κοντά στο νιτρίδιο του γαλλίου (GaN), καθιστώντας το ένα απαραίτητο διεπιφανειακό λειτουργικό υλικό για ετεροεπιταξία και συσκευασία συσκευών ακριβείας.
2. Έλεγχος ακαθαρσιών οξυγόνου: Η βασική μεταβλητή που καθορίζει την αξιοπιστία διεπαφής λεπτού φιλμ-
Η απόδοση της διεπαφής εξαρτάται τελικά από την ποιότητα των κρυστάλλων και τον έλεγχο ακαθαρσιών της ίδιας της λεπτής μεμβράνης AlN. Η θεωρητική θερμική αγωγιμότητα του μονοκρυστάλλου AlN μπορεί να φτάσει τα 320 W/(m·K), καθιστώντας το ιδανικό υλικό που διαχέει τη θερμότητα-. Ωστόσο, η απόδοση των επιταξιακά αναπτυσσόμενων λεπτών μεμβρανών περιορίζεται από ελαττώματα κρυστάλλου και περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες. Οι ακαθαρσίες οξυγόνου στο φιλμ είναι ο βασικός παράγοντας που περιορίζει τη θερμική αγωγιμότητα και επηρεάζει τη διεπιφανειακή σταθερότητα. Το AlN έχει υψηλή χημική δραστηριότητα και είναι επιρρεπές στην ενσωμάτωση ατόμων οξυγόνου κατά την επιταξιακή ανάπτυξη. Μόλις τα άτομα οξυγόνου εισέλθουν στο κρυσταλλικό πλέγμα, σχηματίζουν κενές θέσεις αλουμινίου, προκαλούν παραμόρφωση του πλέγματος και ενισχύουν τη σκέδαση των φωνονίων, μειώνοντας έτσι την εγγενή θερμική αγωγιμότητα του φιλμ.
Η επίδραση των ακαθαρσιών οξυγόνου στις συσκευές ημιαγωγών παραμένει καθ' όλη τη διάρκεια ζωής τους. Το διαλυμένο οξυγόνο μέσα στο πλέγμα καταστρέφει μόνιμα την κρυσταλλική δομή. Το υπολειπόμενο οξυγόνο στο φιλμ σχηματίζει σύμπλοκα ελαττωμάτων κατά τη διάρκεια λειτουργίας σε υψηλές{1} θερμοκρασία, επιδεινώνοντας τη θερμική αντίσταση της διεπιφανείας. Σε περιβάλλοντα με συχνό θερμικό κύκλωμα, αυτά τα ελαττώματα συσσωρεύονται σταδιακά, οδηγώντας σε συνεχή αύξηση της διεπιφανειακής θερμικής αντίστασης. Κατά τη διάρκεια-μακροχρόνιας λειτουργίας, οι συσκευές είναι επιρρεπείς σε υποβάθμιση της ισχύος και μειωμένη αξιοπιστία. Επομένως, η προετοιμασία λεπτών μεμβρανών AlN χαμηλού-οξυγόνου και υψηλής-κρυσταλλικότητας έχει γίνει μια κρίσιμη τεχνική κατεύθυνση για ανακαλύψεις στην απόδοση της συσκευής υψηλής-ισχύς.
3. Περίληψη και προοπτική
Επί του παρόντος, η Κίνα έχει δημιουργήσει μια σταθερή θεωρητική και πειραματική ερευνητική βάση στον τομέα των λεπτών μεμβρανών AlN. Χρησιμοποιώντας νέες τεχνικές ανάπτυξης, όπως εμφύτευση ιόντων, χαμηλή θερμική αντίσταση, καλά δομημένα λεπτά υμένια μπορούν να παραχθούν σε εργαστηριακή κλίμακα. Ωστόσο, αυτές οι προηγμένες τεχνολογίες προετοιμασίας διεπιφανειών δεν έχουν ακόμη ωριμάσει για βιομηχανική εφαρμογή λόγω του υψηλού κόστους κατασκευής, της χαμηλής απόδοσης παρτίδων και της ανεπαρκούς συμβατότητας της διαδικασίας. Ως αποτέλεσμα, οι λεπτές μεμβράνες AlN υψηλής απόδοσης-δεν μπορούν ακόμη να υιοθετηθούν ευρέως σε συσκευές ημιαγωγών υψηλής ποιότητας.
Επειδή δεν έχει επιτευχθεί τεχνολογία μαζικής παραγωγής για διεπαφές υψηλού-λεπτού-φιλμ, οι λύσεις οικιακής διαχείρισης θερμικής διαχείρισης αντιμετωπίζουν σημαντικές προκλήσεις σε εφαρμογές υψηλής-αξίας, όπως τσιπ αυτοκινήτων-κατηγορίας, τσιπ υπολογιστών υψηλού-και συσκευές ραδιοσυχνοτήτων υψηλής{{5}συχνότητας, με χαμηλό ρυθμό διείσδυσης. Το βασικό σημείο συμφόρησης έγκειται στην ανεπαρκή δομική σταθερότητα των διεπαφών λεπτών-υμενίων υπό μακροπρόθεσμες-συνθήκες θερμικού κύκλου.
Η μελλοντική ανάπτυξη του κλάδου θα πρέπει να συνεχίσει να επικεντρώνεται στην επαναληπτική βελτιστοποίηση των διαδικασιών ανάπτυξης λεπτής-μεμβράνης AlN, βελτιώνοντας σταθερά βασικές πτυχές όπως η δημιουργία περιβαλλόντων ανάπτυξης υψηλής{{1}καθαρότητας και ο καθαρισμός πρόδρομων αερίων υψηλής-καθαρότητας, ενώ ελέγχεται αυστηρά η ενσωμάτωση επιβλαβών οξυγόνων. Ο κλάδος πρέπει να δώσει προτεραιότητα στην επίλυση κρίσιμων ζητημάτων, όπως η παρτίδα-έως-συνοχή της κατασκευής λεπτής-παρτίδας, η αντοχή της διεπιφανειακής σύνδεσης και η μακροπρόθεσμη σταθερότητα υπηρεσιών, ενώ παράλληλα μειώνει συνεχώς το κόστος παραγωγής και επιταχύνει την εμπορευματοποίηση των εργαστηριακών τεχνολογιών. Μόνο τότε μπορούν οι λεπτές μεμβράνες AlN υψηλής απόδοσης-να επιτύχουν πραγματικά ευρεία εμπορική υιοθέτηση και να βοηθήσουν στην υπέρβαση του εσωτερικού θερμικού στενώματος για την εγχώρια βιομηχανία ημιαγωγών υψηλής ισχύος της Κίνας.