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01
背景介紹
GaAs 因超高電子遷移率（~8500 cm2/V?s）和直接帶隙，廣泛應(yīng)用于 5G 通信、光電子器件，但熱導(dǎo)率僅～55 W/m?K，且 3D 集成與器件微型化導(dǎo)致熱流密度激增，嚴(yán)重影響器件性能與可靠性（溫度每升 2℃，失效風(fēng)險(xiǎn)增 10%）。傳統(tǒng) GaAs/Si 鍵合散熱不足（Si 熱導(dǎo)率 130-150 W/m?K），現(xiàn)有 GaAs/SiC 鍵合技術(shù)僅局限于 3 英寸以內(nèi)，缺乏界面微觀結(jié)構(gòu)與熱傳輸機(jī)理的系統(tǒng)研究。02
成果掠影
近日，北京大學(xué)高鵬聯(lián)合蘇州晶瓴半導(dǎo)體科技有限公司王振中通過(guò)表面活化鍵合（SAB）技術(shù)成功制備出6 英寸 GaAs/SiC 晶圓，相比傳統(tǒng) GaAs/Si 結(jié)構(gòu)，其散熱冷卻效率超66% ，可有效解決 GaAs 固有熱導(dǎo)率低（~55 W/m?K）導(dǎo)致的高功率器件自熱問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)界面存在大約2.4 nm 的混合非晶層，通過(guò) STEM-EELS 表征與 MD 模擬證實(shí)，2 nm 為該非晶層的最優(yōu)厚度，能最大化界面熱導(dǎo)（ITC）至 114.7 MW/m2?K（較無(wú)中間層提升 10.4%），其核心機(jī)理是非晶層作為 “聲子橋梁” 增強(qiáng) GaAs 與 SiC 的振動(dòng)光譜重疊，而厚度超 2 nm 會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈聲子散射。該成果為GaAs基器件、光電子器件的熱管理提供了晶圓級(jí)集成方案與界面工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)。研究成果以“Direct Bonding of 6?inch GaAs/SiC Wafers for Enhanced Thermal Management in High-Power Devices” 為題，發(fā)表于《ACS Applied Materials Interfaces》期刊。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. GaAs與SiC的晶圓級(jí)鍵合及其特性。（a）6英寸GaAs和SiC晶圓的SA B工藝示意圖。（b）激光二極管的GaAs基高功率器件應(yīng)用示意圖（左），垂直外腔面發(fā)射激光器（中）和高電子遷移率晶體管（右），采用高導(dǎo)熱性SiC襯底以實(shí)現(xiàn)更好的散熱。完整的6英寸GaAs/SiC鍵合樣品的紅外透射圖像，鍵合過(guò)程中不可避免的污染導(dǎo)致的小空隙由圓圈標(biāo)記。（d）GaAs/SiC界面的橫截面SEM圖像。（e）GaAs/SiC界面的橫截面HRTEM圖像，放大視圖如插圖所示。圖2. GaAs/SiC和GaAs/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的熱性能比較。（a）SiC或Si襯底上的HEMT器件的模擬結(jié)構(gòu)示意圖，標(biāo)注了層厚度。（b）SiC和Si襯底上HEMT的模擬熱點(diǎn)溫度SiC相對(duì)于Si襯底的相對(duì)冷卻效率（條形圖）和線形圖（即，（TSi-TSiC）/TSi）作為輸入熱源密度的函數(shù)。（c）GaAs/Si（左）和GaAs/SiC（右）樣品在主動(dòng)加熱和自然冷卻過(guò)程中的紅外熱成像圖像。（d）GaAs/SiC和GaAs/Si樣品熱點(diǎn)溫度的時(shí)間演變。圖3. GaAs/SiC界面上的原子和電子結(jié)構(gòu)表征。（a）GaAs/SiC界面的截面HAADF圖像和（b）同時(shí)獲得的ABF圖像。（c）原子分辨率EDS元素映射，顯示界面附近Ga、As、Si、C、Ar和O的分布。（d）界面上Ga、As、Si、C、Ar和O的原子分?jǐn)?shù)線分布，（e）光譜采集區(qū)域的HAADF圖像，具有將空間位置與光譜數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的顏色梯度箭頭重疊。（f）等離子體激元主峰光譜，（g）Si L-邊緣和（h）C K-邊緣近邊緣精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜，從（e）中的相同區(qū)域采集。圖4.非晶夾層的振動(dòng)光譜及其對(duì)GaAs/SiC ITC的影響。（a）通過(guò)STEM-EELS測(cè)量的GaAs/SiC界面上的空間分辨振動(dòng)光譜，綠色箭頭突出顯示非晶夾層內(nèi)的振動(dòng)模式。（b）從（a）中提取的振動(dòng)模式的線輪廓，用于比較SiC塊體（藍(lán)色）、界面區(qū)域（綠色）、界面區(qū)的振動(dòng)模（~ 37 meV）可以增加GaAs和SiC的聲子譜的重疊。GaAs中由紫色箭頭標(biāo)記的（103 meV）是SiC的離域極化激元。（c）GaAs/非晶夾層/具有從0到6 nm的不同夾層厚度的SiC模型。（d）從MD模擬獲得的GaAs、a-界面和SiC的振動(dòng)光譜，其中光譜重疊由顏色陰影區(qū)域突出顯示。從MD模擬獲得的ITC值作為非晶夾層厚度的函數(shù)。虛線表示突變界面的ITC以供比較。（f）GaAs/非晶層/SiC的SHC計(jì)算結(jié)果，非晶層厚度為0、1、2和2.5 nm。
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