Vzhledem k tomu, že se výpočetní čipy AI a RF zařízení třetí{0}}generace neustále vyvíjejí směrem k vyššímu výkonu a vyšší hustotě tepelného toku, prošla konkurenční logika odvětví polovodičového tepelného managementu zásadním posunem. V mnoha scénářích selhání-zařízení vyšší třídy již není hlavní příčinou nedostatečná tepelná vodivost základních materiálů odvádějících teplo-, ale spíše vysoký tepelný odpor mezi rozhraními a špatná strukturální stabilita za vysokých-teplotních cyklů. Nitrid hliníku (AlN), jako reprezentativní keramický materiál s vysokou tepelnou vodivostí, zaznamenal čistotu a jemné -řízení vodního kamene jeho mikrostruktury na rozhraní jako kritické faktory ovlivňující výkon a životnost vysokovýkonných polovodičů-.
1. Akademický průlom: Iontová-implantace-technologie indukované nukleace
Abychom se vypořádali s průmyslovými problémy s vysokou hustotou defektů a vysokou tepelnou odolností na epitaxních rozhraních ve vysokovýkonných zařízeních, náš tým vyvinul iontovou -implantací-indukovanou nukleační technologii, která přesně řídí růst tenkých vrstev AlN do dobře-uspořádaných vrstevnatých struktur, čímž účinně řeší problémy s akumulací defektů způsobené náhodným růstem, jako je běžné ostrůvkové- Experimentální měření ukazují, že tento proces snižuje mezifázový tepelný odpor na jednu-třetinu oproti tradičním konstrukcím. Tento průlom povyšuje AlN z jednoduchého pomocného spojovacího materiálu na univerzální platformu integrovaného rozhraní kompatibilní s řadou polovodičových materiálů. Potvrzuje to také průmyslový trend: zlepšování výkonu polovodičového výkonu již nespoléhá na parametry vrstveného substrátu; základním prvkem se spíše stávají vrstvy rozhraní AlN s vysokou-čistotou a nízkým{10}}defektem. AlN kombinuje vysokou tepelnou vodivost, vysokou elektrickou izolaci a koeficient tepelné roztažnosti, který se velmi blíží karbidu křemíku (SiC) a je poměrně blízký nitridu galia (GaN), což z něj činí nepostradatelný mezifázový funkční materiál pro heteroepitaxii a přesné balení zařízení.
2. Kontrola kyslíkových nečistot: Základní proměnná určující spolehlivost rozhraní tenkého-filmu
Výkon rozhraní nakonec závisí na kvalitě krystalů a kontrole nečistot samotného tenkého filmu AlN. Teoretická tepelná vodivost monokrystalu AlN může dosáhnout 320 W/(m·K), což z něj činí ideální materiál odvádějící teplo-. Výkonnost epitaxně narostlých tenkých filmů je však omezena krystalovými defekty a obsahem nečistot. Kyslíkové nečistoty ve filmu jsou klíčovým faktorem omezujícím tepelnou vodivost a ovlivňujícím stabilitu rozhraní. AlN má vysokou chemickou aktivitu a je náchylný k inkorporaci atomů kyslíku během epitaxního růstu. Jakmile atomy kyslíku vstoupí do krystalové mřížky, vytvoří hliníková prázdná místa, indukují zkreslení mřížky a zesilují rozptyl fononů, čímž snižují vlastní tepelnou vodivost filmu.
Vliv kyslíkových nečistot na polovodičová zařízení přetrvává po celou dobu jejich životnosti. Rozpuštěný kyslík v mřížce trvale poškozuje krystalovou strukturu; zbytkový kyslík ve filmu tvoří defektní komplexy během vysokoteplotního-provozu, což zhoršuje tepelný odpor rozhraní. V prostředí s častým tepelným cyklováním se tyto defekty postupně hromadí, což vede k neustálému zvyšování mezifázového tepelného odporu. Při dlouhodobém-provozu jsou zařízení náchylná ke snížení výkonu a snížené spolehlivosti. Příprava tenkých vrstev AlN s nízkým-kyslíkem a vysokou-krystalinitou se proto stala kritickým technickým směrem pro průlomy ve výkonu zařízení s vysokým-výkonem.
3. Shrnutí a výhled
V současné době Čína vybudovala solidní teoretickou a experimentální výzkumnou základnu v oblasti tenkých vrstev AlN. Pomocí nových růstových technik, jako je iontová implantace, nízký tepelný odpor, lze v laboratorním měřítku vyrábět dobře-strukturované tenké filmy. Tyto pokročilé technologie přípravy na rozhraní však ještě nevyzrály pro průmyslové aplikace kvůli vysokým výrobním nákladům, nízkému výtěžku šarže a nedostatečné kompatibilitě procesu. Výsledkem je, že vysoce-výkonné tenké vrstvy AlN zatím nelze široce používat v-polovodičových zařízeních nejvyšší třídy.
Protože technologie hromadné výroby pro špičková{0}}tenká{1}}fóliová rozhraní nebyla dosažena, domácí řešení tepelného managementu čelí značným výzvám u vysoce-aplikací, jako jsou automobilové-čipy, špičkové-výpočetní čipy a vysokofrekvenční RF zařízení, s trvale nízkou mírou pronikání. Hlavní překážka spočívá v nedostatečné strukturální stabilitě tenkých -rozhraní filmu za dlouhodobých- podmínek tepelného cyklování.
Budoucí průmyslový vývoj by se měl i nadále zaměřovat na iterativní optimalizaci procesů růstu tenkých{0}}filmů AlN, neustálé zlepšování klíčových aspektů, jako je vytváření vysoce-čistých růstových prostředí a čištění prekurzorových plynů vysoké{2}}čistoty, a zároveň důsledně kontrolovat začleňování škodlivých nečistot, jako je kyslík, do mřížky. Průmysl musí upřednostňovat řešení kritických problémů, jako je dávková--konzistence šaržové výroby tenkých-fólií, pevnost mezifázových spojů a dlouhodobá-stabilita služeb, při neustálém snižování výrobních nákladů a urychlování komercializace laboratorních technologií. Jedině tak mohou vysoce-tenké AlN vrstvy skutečně dosáhnout širokého komerčního přijetí a pomoci překonat vnitřní tepelné překážky čínského domácího-výrobního polovodičového průmyslu.