第三代半導(dǎo)體材料及器件中的熱科學(xué)和工程問題

程哲

(伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校材料科學(xué)和工程系,伊利諾伊 61801)

簡(jiǎn)單回顧了半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史,并以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管為例,介紹了第三代半導(dǎo)體器件的產(chǎn)熱機(jī)制和熱管理策略.以β 相氧化鎵為例,簡(jiǎn)單討論了新興的超寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展和熱管理挑戰(zhàn).然后重點(diǎn)討論了一些界面鍵合技術(shù)用于半導(dǎo)體散熱的進(jìn)展,同時(shí)指出這些器件中大量存在的界面散熱的工程難題背后的科學(xué)問題:界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫?在回顧了之前界面?zhèn)鳠岬睦碚摪l(fā)展后,指出了理解界面?zhèn)鳠岙?dāng)前遇到的一些困難、機(jī)遇和方向.

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)的前幾十年基本上是建立在第一代半導(dǎo)體材料(鍺、硅)和第二代半導(dǎo)體材料(傳統(tǒng)的三五族化合物,比如砷化鎵)上.這些材料的禁帶寬度都在2.3 eV 以下.即使寬的禁帶寬度意味著能承受更高的擊穿電壓、更節(jié)能、所需材料更少,寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展一直很艱難.直到19 世紀(jì)80 年代后期至90 年代,氮化鎵生長(zhǎng)和摻雜技術(shù)的突破帶來了光電器件的革命,隨后也被用于電子器件.碳化硅在電子器件方面的研究則稍早于氮化鎵.以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體電子器件在2000 年以后,特別是2010 年之后,開始走向成熟,在功率和射頻器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一系列革新應(yīng)用:能源基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源轉(zhuǎn)化器、國(guó)防雷達(dá)和電子戰(zhàn)技術(shù)、衛(wèi)星通訊.區(qū)別三代半導(dǎo)體的主要標(biāo)準(zhǔn)是其禁帶寬度.隨著5 G 通訊的發(fā)展,基于第三代半導(dǎo)體的射頻器件正大規(guī)模用于5 G 基站.同時(shí),射頻和功率器件將大規(guī)模用于電動(dòng)汽車的傳感通信和電源轉(zhuǎn)化.與硅器件相比,氮化鎵器件的延時(shí)可以減少到硅器件的1/10 以下并且體積更加緊湊和節(jié)能.在應(yīng)用需求的催生下,相關(guān)器件的頻率和功率也越來越高,熱管理成為制約器件穩(wěn)定性和壽命的一個(gè)技術(shù)瓶頸.

近年來,各國(guó)政府在大力投入第三代半導(dǎo)體的同時(shí),也加大了對(duì)比第三代半導(dǎo)體禁帶寬度更大的超寬禁帶半導(dǎo)體的投入.超寬禁帶半導(dǎo)體,比如氧化鎵、氮化鋁、金剛石和氮化硼,也迎來了很多技術(shù)突破.其中以氧化鎵為代表的半導(dǎo)體器件在某些方面可能超越氮化鎵和碳化硅器件,有望成為世界上第七大半導(dǎo)體技術(shù),得到了大量的關(guān)注.當(dāng)然,氧化鎵也存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn),比如低導(dǎo)熱系數(shù)和p 型參雜.氧化鎵器件的熱管理將成為其是否能規(guī)?；l(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo).

2 半導(dǎo)體器件中的產(chǎn)熱和熱管理

半導(dǎo)體電子器件都會(huì)有焦耳熱的產(chǎn)生,電學(xué)特性往往是與熱學(xué)和力學(xué)相耦合的,所以熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)成為未來技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向.下面以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)為例,討論近節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)熱和熱管理.最新的金剛石基底GaN HEMT 的近節(jié)點(diǎn)熱流密度可以達(dá)到太陽表面熱流密度的10 倍以上.節(jié)點(diǎn)溫度直接關(guān)系到器件的壽命和穩(wěn)定性,進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的可靠性.如圖1所示,柵極附近有大的電壓變化,熱點(diǎn)存在于節(jié)點(diǎn)附近.柵極附近產(chǎn)生的熱通過高導(dǎo)熱襯底散熱/均熱.從熱源到熱沉的熱阻有氮化鎵層的熱阻,氮化鎵與襯底的界面熱阻,還有襯底的熱阻.對(duì)于特定的器件結(jié)構(gòu),氮化鎵層的熱阻無法改變.所以研究集中在后2 個(gè)熱阻的減小上面.對(duì)于GaN HEMT,在一些重要應(yīng)用領(lǐng)域,碳化硅襯底的器件(GaN-on-SiC)正在逐步取代硅襯底(GaN-on-Si),一個(gè)重要的原因就是考慮到碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)(380 W·m—1·K—1)大于硅的導(dǎo)熱系數(shù)(149 W·m—1·K—1).

圖1 基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管的示意圖和節(jié)點(diǎn)附近的電場(chǎng)分布.熱點(diǎn)位于柵極附近Fig.1.The schematic diagram of a GaN high electron mobility transistors (HEMT) and the electric field distribution across the channel.The hotspot is located close to the gate.

使用比碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)更高的金剛石作為襯底來散熱,金剛石襯底的氮化鎵器件(GaN-ondiamond)也發(fā)展了十幾年,其中的難點(diǎn)仍在于金剛石的質(zhì)量和金剛石和氮化鎵異質(zhì)結(jié)合的界面熱阻.GaN-on-diamond 目前的工藝是在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵器件,然后把硅襯底腐蝕掉.在去掉硅暴露出來的氮化鎵上面生長(zhǎng)一層保護(hù)層之后,直接在上面利用氣相沉積法生長(zhǎng)金剛石[1].接近氮化鎵界面處的金剛石是納米晶體,其導(dǎo)熱系數(shù)只有數(shù)十W·m—1·K—1,遠(yuǎn)小于金剛石單晶體的導(dǎo)熱系數(shù)(＞2000 W·m—1·K—1)[2].氮化鎵上面生長(zhǎng)的保護(hù)層也增加了氮化鎵和金剛石之間的界面熱阻[3].

超寬禁帶半導(dǎo)體,比如β相氧化鎵(β-Ga2O3)由于近十年來晶體生長(zhǎng)技術(shù)的突破,氧化鎵可以從熔體中生長(zhǎng)大單晶,有望大規(guī)模供應(yīng)成本低廉的單晶體[4].氧化鎵的超寬禁帶使其擁有高擊穿電壓,而且氧化鎵的n 型參雜表現(xiàn)優(yōu)異,歐姆和肖特基接觸也可以使用常規(guī)金屬.但是相比于其他的寬禁帶半導(dǎo)體材料,氧化鎵由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其導(dǎo)熱很低(10—27 W·m—1·K—1)而且具有很強(qiáng)的各向異性[5].散熱問題將會(huì)是阻礙大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)短板.所以,要想將器件中的熱量導(dǎo)出,需要使用高導(dǎo)熱系數(shù)的襯底[6,7].如圖1所示,柵極附近產(chǎn)生的熱量通過高導(dǎo)熱襯底散熱需要經(jīng)過的熱阻包括氧化鎵本身的熱阻.因?yàn)檠趸墝?dǎo)熱系數(shù)低,自身的熱阻就很大,所以需要減小氧化鎵的厚度來減小熱阻.如果在氧化鎵襯底上面直接生長(zhǎng)氧化鎵器件,將導(dǎo)致熱積累而出現(xiàn)穩(wěn)定性問題.除了氧化鎵的其他超寬禁帶半導(dǎo)體,氮化鋁鎵由于是合金,所以導(dǎo)熱系數(shù)也只有幾十W·m—1·K—1,但是氮化硼、氮化鋁和金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)卻很高.

3 高界面熱導(dǎo)的異質(zhì)鍵合界面

如圖1所示,器件上面的熱點(diǎn)通過高導(dǎo)熱襯底散熱,需要經(jīng)過3 個(gè)熱阻:半導(dǎo)體器件自身的熱阻、器件和襯底界面的熱阻、襯底的熱阻.一旦器件和襯底選定,熱阻即為固定值,界面熱阻在總熱阻中的占比很大,且可以通過研究來降低,下文將重點(diǎn)討論界面熱阻.

為了將高導(dǎo)熱材料結(jié)合到熱點(diǎn)附近,近年來作者和合作者們研究了一系列異質(zhì)鍵合界面的界面熱導(dǎo),發(fā)現(xiàn)常溫直接鍵合技術(shù)可以將氮化鎵和氧化鎵直接在常溫下鍵合到高導(dǎo)熱襯底上,并且鍵合的界面具有高界面熱導(dǎo),這為相關(guān)器件的散熱提供了除了生長(zhǎng)以外的另外一條熱管理技術(shù)路線.我們成功把晶圓級(jí)別的氮化鎵和碳化硅鍵合在一起,其界面導(dǎo)熱達(dá)到了文獻(xiàn)中的最高值(230 MW·m—2·K—1)[8].鍵合的界面不僅去掉了直接生長(zhǎng)界面所需的氮化鋁緩沖層的熱阻,也去掉了直接生長(zhǎng)界面附近低質(zhì)量氮化鎵,鍵合的氮化鎵具有高導(dǎo)熱系數(shù)[8].另外,我們將單晶體金剛石和氮化鎵在常溫下鍵合,得到了較高的界面熱導(dǎo)(92 MW·m—2·K—1),計(jì)算結(jié)果顯示冷卻效果接近金剛石散熱效果的極限值[9].常溫鍵合還可以最大程度減小高溫操作可能帶來的熱應(yīng)力問題.相比于在氮化鎵上使用氣相沉積法生長(zhǎng)多晶體或者納米晶體金剛石,鍵合法不需要保護(hù)層,增大了界面熱導(dǎo)[9].并且直接把單晶體金剛石鍵合到氮化鎵上面,導(dǎo)熱效率大幅度提升[9].最近加州大學(xué)洛杉磯分校的胡永杰課題組[10]報(bào)道了把氮化鎵鍵合到砷化硼上面,并得到了高界面導(dǎo)熱(250 MW·m—2·K—1),在某些工況下面散熱效果甚至超過了直接生長(zhǎng)的多晶體金剛石，但是高質(zhì)量砷化硼晶體只能長(zhǎng)到毫米尺寸且本身導(dǎo)電，阻礙了真正的實(shí)際應(yīng)用.

上面我們提到氧化鎵器件不僅需要高的界面熱導(dǎo)還需要自身很薄,所以作者和合作者們報(bào)道了使用離子切割來剝離納米級(jí)別的單晶體晶圓級(jí)別的氧化鎵薄膜異質(zhì)鍵合在高導(dǎo)熱襯底上,我們發(fā)現(xiàn)鍵合的界面具有高的界面熱導(dǎo)[11,12].同時(shí),最近有模擬研究提出,還可以使用雙面散熱,除了通過高導(dǎo)熱襯底,也可以額外通過柵極電極的金屬來均熱,從上方將一部分熱導(dǎo)出[13].

以上散熱策略有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),即涉及大量的界面?zhèn)鳠?包括不同材料之間的界面:金屬和半導(dǎo)體、半導(dǎo)體和半導(dǎo)體界面;不同生長(zhǎng)條件下的界面:鍵合、蒸鍍、濺射、分子束外延、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法、氫化物氣相外延等生成的界面.總之,界面?zhèn)鳠釋?duì)于半導(dǎo)體器件的熱管理至關(guān)重要.

4 半導(dǎo)體器件中界面導(dǎo)熱的科學(xué)問題

4.1 界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫?/h3>

界面?zhèn)鳠嵘婕安煌哪芰枯d體、不同的輸運(yùn)機(jī)制、不同的界面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié).對(duì)于界面?zhèn)鳠岬睦斫庖恢笔且粋€(gè)難題.關(guān)于界面?zhèn)鳠岬睦碚摾斫?最開始的擴(kuò)散失配模型(DMM)和聲學(xué)失配模型(AMM)假設(shè)聲子以一定的概率穿過界面,從而完成熱交換.這兩種模型無法考慮界面處的結(jié)構(gòu),只是根據(jù)基于組成界面的兩個(gè)材料的聲子特性來計(jì)算聲子透射率,并且只能計(jì)算彈性過程.后來發(fā)展出來的原子格林方程(AGF)可以考慮界面的細(xì)節(jié),但是很難計(jì)算非彈性過程對(duì)界面導(dǎo)熱的影響,并且計(jì)算量特別大[14].前面提到的模型都是基于朗道模型和聲子透射概率.DMM和AMM 是基于聲子氣模型.然而界面處是非對(duì)稱結(jié)構(gòu),而且往往真實(shí)的界面會(huì)有很多的結(jié)構(gòu)混亂,這與聲子氣模型的完美周期性晶格假設(shè)沖突.AGF 依然使用大塊體材料的聲子來描述界面導(dǎo)熱.所以界面處的熱傳輸理論需要更好的模型和物理理解[15].近年來,也有一些研究者提出一些改進(jìn)模型,比如:混合失配模型[16]、交叉界面弱耦合模型[17]、最大透射模型[18]、散射調(diào)節(jié)聲學(xué)失配模型[19]和非諧波非彈性模型[20]等.

隨著分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于界面?zhèn)鳠岬挠?jì)算,非彈性過程對(duì)界面熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)可以被計(jì)算出來.更多更豐富的振動(dòng)模式在界面處被預(yù)測(cè)出來(界面聲子態(tài)),它們完全與界面兩側(cè)材料的大塊體聲子特性完全不同,并且對(duì)界面?zhèn)鳠嵊泻艽蟮闹苯雍烷g接的貢獻(xiàn).界面聲子態(tài)的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最近取得了很多的進(jìn)展[21-25].但是分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算本身是基于經(jīng)典力學(xué),沒有辦法考慮量子效應(yīng),對(duì)界面熱導(dǎo)的預(yù)測(cè)在低溫時(shí)影響較大.界面?zhèn)鳠岬挠?jì)算和使用的原子間作用勢(shì)能有非常大的關(guān)系,所以分子動(dòng)力學(xué)的結(jié)果往往只能做定性的分析.迄今為止,一個(gè)完整的基于第一性原理的計(jì)算界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ瓦€不存在,這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[26].

4.2 界面?zhèn)鳠岬膶?shí)驗(yàn)探索

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),界面的元素混合情況、結(jié)構(gòu)混亂程度、界面結(jié)合力、化學(xué)鍵、晶體方向、粗糙度等都會(huì)影響界面?zhèn)鳠醄27-29].目前完整考慮這些因素的理論計(jì)算模型較少[30],導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面往往和模型計(jì)算的界面不同.這阻礙了對(duì)界面?zhèn)鳠岬睦斫?不同的材料往往擁有不一樣的晶格常數(shù),這使界面處的原子并不是完美的排列,在真實(shí)的界面中結(jié)構(gòu)缺陷或位錯(cuò)往往不可避免.這些真實(shí)的界面結(jié)構(gòu)可以激發(fā)理論科學(xué)家對(duì)界面?zhèn)鳠岬睦斫?所以,對(duì)界面進(jìn)行高精度的材料結(jié)構(gòu)表征尤其重要.配合大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過機(jī)器學(xué)習(xí)或大數(shù)據(jù)的方法來尋找理解和預(yù)測(cè)界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ蛯⒊蔀榭赡?

目前實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面導(dǎo)熱數(shù)據(jù)非常有限,只有幾十個(gè)界面被測(cè)量過,其中絕大部分是通過時(shí)域熱反射方法進(jìn)行測(cè)量.所以未來需要發(fā)展可以快速批量自動(dòng)化測(cè)量界面導(dǎo)熱的方法.再者,目前的界面熱導(dǎo)測(cè)量仍然是基于經(jīng)典傅里葉定律的數(shù)據(jù)分析,未來發(fā)展可以測(cè)量單個(gè)聲子模式界面熱導(dǎo)的測(cè)量方法也是一個(gè)值得研究的方向.