Kako računarski čipovi sa umjetnom inteligencijom i RF uređaji treće{0}}generacije nastavljaju da evoluiraju prema većoj snazi i većoj gustini toplotnog fluksa, konkurentska logika industrije poluprovodničkog termičkog upravljanja doživjela je temeljnu promjenu. U mnogim-scenarijama kvarova najkvalitetnijih uređaja, osnovni uzrok više nije nedovoljna toplotna provodljivost osnovnih materijala koji-odvode toplinu, već visoka međufazna termička otpornost i loša strukturna stabilnost pod visokim-ciklističkim uslovima visoke temperature. Aluminijum nitrid (AlN), kao reprezentativni keramički materijal visoke toplotne provodljivosti, doveo je do toga da su čistoća i fina-kontrola njegove međufazne mikrostrukture postali kritični faktori koji utiču na performanse i radni vek poluprovodnika velike snage-.
1. Akademski proboj: ion-Implantacijom-indukovana tehnologija nukleacije
Kako bi se riješile bolne tačke u industriji visoke gustine defekta i visoke termičke otpornosti na epitaksijalnim interfejsima u uređajima velike snage-naš tim je razvio tehnologiju nukleacije izazvane ionima-implantacijom-koja precizno kontrolira rast AlN tankih filmova u dobro-uređene slojevite strukture uzrokovane defektima kao što su problemi sa akumulacijom i rješavanjem problema} 4 rast koji se vidi u konvencionalnim procesima. Eksperimentalna mjerenja pokazuju da ovaj proces smanjuje međufaznu toplinsku otpornost na jednu-trećinu u odnosu na tradicionalne strukture. Ovaj proboj podiže AlN od jednostavnog pomoćnog materijala za vezivanje do univerzalne integrisane interfejs platforme kompatibilne sa raznim poluprovodničkim materijalima. Takođe potvrđuje industrijski trend: poboljšanje performansi snage poluprovodnika više se ne oslanja na parametre podloge za slaganje; umjesto toga, slojevi AlN interfejsa visoke{9}}čistoće i niske{10}}defekte postaju osnovni pokretač. AlN kombinuje visoku toplotnu provodljivost, visoku električnu izolaciju i koeficijent termičke ekspanzije koji se blisko podudara sa silicijum karbidom (SiC) i prilično je blizak galijum nitridu (GaN), što ga čini nezamjenjivim funkcionalnim materijalom međufaza za heteroepitaksiju i pakovanje preciznih uređaja.
2. Kontrola nečistoće kisika: Osnovna varijabla koja određuje pouzdanost sučelja tankog filma{1}}
Performanse interfejsa na kraju zavise od kvaliteta kristala i kontrole nečistoća samog AlN tankog filma. Teoretska toplotna provodljivost mono-kristala AlN može dostići 320 W/(m·K), što ga čini idealnim materijalom za{3}}rasipanje toplote. Međutim, performanse epitaksijalno uzgojenih tankih filmova ograničene su defektima kristala i sadržajem nečistoća. Nečistoće kiseonika u filmu su ključni faktor koji ograničava toplotnu provodljivost i utiče na stabilnost međufaza. AlN ima visoku hemijsku aktivnost i sklon je ugrađivanju atoma kiseonika tokom epitaksijalnog rasta. Jednom kada atomi kiseonika uđu u kristalnu rešetku, formiraju prazna mesta u aluminijumu, izazivaju distorziju rešetke i pojačavaju rasejanje fonona, smanjujući tako intrinzičnu toplotnu provodljivost filma.
Utjecaj nečistoća kisika na poluvodičke uređaje ostaje tokom cijelog njihovog vijeka trajanja. Otopljeni kisik unutar rešetke trajno oštećuje kristalnu strukturu; preostali kiseonik u filmu formira komplekse defekata tokom rada na visokim-temperaturama, pogoršavajući međufaznu termičku otpornost. U okruženjima sa čestim termičkim ciklusima, ovi defekti se postepeno akumuliraju, što dovodi do kontinuiranog povećanja međufaznog toplotnog otpora. Tokom-dugotrajnog rada, uređaji su skloni degradaciji snage i smanjenoj pouzdanosti. Stoga je priprema tankih AlN filmova niske{6}}kiseonika, visoke-kristalnosti postala ključni tehnički pravac za napredak u performansama uređaja velike{8}}e snage.
3. Sažetak i Outlook
Trenutno, Kina je izgradila solidnu teoretsku i eksperimentalnu osnovu za istraživanje u oblasti AlN tankih filmova. Koristeći nove tehnike rasta kao što su jonska implantacija, niska termička otpornost, dobro-strukturirani tanki filmovi mogu se proizvesti u laboratorijskoj skali. Međutim, ove napredne tehnologije pripreme međufaza još nisu sazrele za industrijsku primenu zbog visokih troškova proizvodnje, niskog prinosa serije i nedovoljne kompatibilnosti procesa. Kao rezultat toga, AlN tanki filmovi visokih{4}}performansi još uvijek ne mogu biti široko prihvaćeni u vrhunski-poluvodičkim uređajima.
Budući da tehnologija masovne proizvodnje za vrhunske-indence tanke-filmske interfejse nije postignuta, domaća rješenja za upravljanje toplotom suočavaju se sa značajnim izazovima u-vrijednim aplikacijama kao što su automobilski-čipovi, vrhunski-čipovi za računare i visoko-RF uređaji visoke frekvencije, sa niskom penetracijom. Osnovno usko grlo leži u neadekvatnoj strukturnoj stabilnosti sučelja tankog filma-pod dugotrajnim-uslovima termičkog ciklusa.
Budući razvoj industrije trebao bi se nastaviti fokusirati na iterativnu optimizaciju procesa rasta AlN tankog{0}}filma, stalno poboljšavajući ključne aspekte kao što su uspostavljanje okruženja za rast visoke-čistoće i pročišćavanje gasova prekursora visoke -čistoće, uz rigoroznu kontrolu ugradnje štetnih nečistoća kao što je kisik u nečistoću. Industrija mora dati prioritet rješavanju kritičnih problema kao što su serija-do-dosljednost serije tankih-proizvoda, čvrstoća međufaznog spajanja i dugoročna-stabilnost usluge, uz kontinuirano smanjenje troškova proizvodnje i ubrzavanje komercijalizacije laboratorijskih tehnologija. Samo tada AlN tanki filmovi visokih{9}}performansi mogu zaista postići široku komercijalnu primjenu i pomoći u prevazilaženju unutrašnjeg toplotnog uskog grla za kinesku domaću{10}}industriju poluvodiča velike snage.