GaN/金刚石功率器件界面的热管理

氮化镓（GaN）功率器件中千伏特击穿电压的演示长期以来一直激励着电力电子和其他应用的优化。这是由于电力系统中转换效率的潜力大大提高。GaN器件可分为横向和纵向器件结构，在横向器件中，电场在器件中横向排列，并被限制在氮化镓内部，但靠近表面在垂直器件中，电场均匀地分布在GaN内。因此，垂直器件可以在不增加芯片尺寸的情况下提高击穿电压。

文字导读

在这两种几何结构中实现GaN的全部潜力的一个主要障碍是器件工作温度。在工作条件下，GaN功率器件的温度可以超过300°C，这降低了电子迁移率，从而降低了器件效率。为了降低横向装置的工作温度，已经使用了吸热基材和涂层，以及主动液体冷却方法。然而，这个问题在垂直几何中变得更加复杂，因为热量不是在接近表面的地方产生的，而是在材料的主体中产生的。

桑迪亚国家实验室的Piontkowski、Luke Yates团队针对金刚石与氮化镓(GaN)电子器件热管理的优化改进取得最新进展。这两种材料的集成是通过Ti/Au的金属间键合层，通过室温压缩键合厘米级GaN和金刚石模具实现的。团队使用了一种改进的表面活化键合(SAB)方法，在超高真空(UHV)条件下，在同一工具内立即进行Ar快速原子轰击，然后进行键合。

使用透射电子显微镜(TEM)和共聚焦声扫描显微镜(C-SAM)成像埋藏界面与总键合面积。空间分辨频域热反射(FDTR)揭示键的热输运质量高，热边界导率超过100 MW/m2·K。良好键合区域GaN压应力低，低于80 MPa。此研究提出一种在垂直GaN器件中维持低应力与高热边界导率的新热管理方法，成果已发表于《ACS Applied Materials&Materials》。

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图1. GaN/金刚石器件结构与合成。

图2. 电子显微镜示意图。

图3. 频域热反射率。

图4. 拉曼光谱应力分析。

图5. 局部热-机械分布图:(a)拉曼图转换为应力，18 kHz FDTR图用于热部分。

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