W miarę jak chipy obliczeniowe AI i urządzenia RF-trzeciej generacji stale ewoluują w kierunku wyższej mocy i wyższych gęstości strumienia ciepła, logika konkurencji w branży zarządzania ciepłem półprzewodników uległa zasadniczej zmianie. W wielu-scenariuszach awarii urządzeń wysokiej klasy podstawową przyczyną nie jest już niewystarczająca przewodność cieplna podstawowych-materiałów rozpraszających ciepło, ale raczej wysoki międzyfazowy opór cieplny i słaba stabilność strukturalna w-warunkach cyklicznych wysokich temperatur. Azotek glinu (AlN), jako reprezentatywny materiał ceramiczny o wysokiej przewodności cieplnej, zauważył, że czystość i precyzyjna-kontrola skali jego mikrostruktury międzyfazowej stały się kluczowymi czynnikami wpływającymi na wydajność i żywotność półprzewodników dużej-mocy.
1. Przełom w nauce: technologia-implantacji-jonowej
Aby rozwiązać problemy branży związane z dużą gęstością defektów i wysoką rezystancją termiczną na interfejsach epitaksjalnych w urządzeniach-o dużej mocy, nasz zespół opracował technologię zarodkowania indukowanego{{1}implantacją-jonów, która precyzyjnie kontroluje wzrost cienkich warstw AlN w dobrze-uporządkowane struktury warstwowe, skutecznie rozwiązując problemy z akumulacją defektów powodowane-wyspą, podobne do losowego wzrostu obserwowanego w konwencjonalnych procesach. Pomiary eksperymentalne pokazują, że proces ten zmniejsza międzyfazowy opór cieplny do-jednej trzeciej oporu w przypadku tradycyjnych konstrukcji. Ten przełom przenosi AlN z prostego pomocniczego materiału wiążącego do uniwersalnej zintegrowanej platformy interfejsu kompatybilnej z różnorodnymi materiałami półprzewodnikowymi. Potwierdza to również trend branżowy: poprawa wydajności energetycznej półprzewodników nie opiera się już na parametrach układania podłoża; raczej głównym czynnikiem umożliwiającym stają się warstwy interfejsu AlN o-czystości i niskiej-defektach. AlN łączy w sobie wysoką przewodność cieplną, wysoką izolację elektryczną i współczynnik rozszerzalności cieplnej, który jest bardzo zbliżony do węglika krzemu (SiC) i jest dość zbliżony do azotku galu (GaN), co czyni go niezbędnym materiałem funkcjonalnym międzyfazowym do heteroepitaksji i precyzyjnych opakowań urządzeń.
2. Kontrola zanieczyszczenia tlenem: podstawowa zmienna określająca niezawodność interfejsu cienkiej-warstwy
Wydajność interfejsu ostatecznie zależy od jakości kryształów i kontroli zanieczyszczeń samej cienkiej warstwy AlN. Teoretyczna przewodność cieplna monokryształu AlN może osiągnąć 320 W/(m·K), co czyni go idealnym materiałem-rozpraszającym ciepło. Jednakże wydajność cienkich warstw narastających epitaksjalnie jest ograniczona defektami kryształów i zawartością zanieczyszczeń. Zanieczyszczenia tlenowe w folii są kluczowym czynnikiem ograniczającym przewodnictwo cieplne i wpływającym na stabilność międzyfazową. AlN ma wysoką aktywność chemiczną i jest podatny na włączanie atomów tlenu podczas wzrostu epitaksjalnego. Gdy atomy tlenu dostaną się do sieci krystalicznej, tworzą puste miejsca w aluminium, powodują zniekształcenie sieci i zwiększają rozpraszanie fononów, zmniejszając w ten sposób wewnętrzną przewodność cieplną folii.
Wpływ zanieczyszczeń tlenowych na urządzenia półprzewodnikowe utrzymuje się przez cały okres ich użytkowania. Rozpuszczony tlen w siatce trwale uszkadza strukturę kryształu; tlen resztkowy w folii tworzy kompleksy defektów podczas-pracy w wysokiej temperaturze, zaostrzając międzyfazowy opór cieplny. W środowiskach o częstych cyklach termicznych defekty te stopniowo kumulują się, prowadząc do ciągłego wzrostu międzyfazowego oporu cieplnego. W przypadku długotrwałej-pracy urządzenia są podatne na spadek mocy i niezawodność. Dlatego też wytwarzanie cienkich warstw AlN o niskiej-tlenie i-wysokiej krystaliczności stało się kluczowym kierunkiem technicznym umożliwiającym dokonanie przełomu w wydajności urządzeń o dużej-mocy.
3. Podsumowanie i perspektywy
Obecnie Chiny zbudowały solidne podstawy badań teoretycznych i eksperymentalnych w dziedzinie cienkich warstw AlN. Stosując nowatorskie techniki wzrostu, takie jak implantacja jonów, niski opór cieplny,-można wytworzyć cienkie warstwy o dobrej strukturze w skali laboratoryjnej. Jednakże te zaawansowane technologie przygotowania powierzchni międzyfazowej nie dojrzały jeszcze do zastosowań przemysłowych ze względu na wysokie koszty produkcji, niską wydajność partii i niewystarczającą kompatybilność procesu. W rezultacie-cienkie warstwy AlN o wysokiej wydajności nie mogą być jeszcze powszechnie stosowane w-najwyższej jakości urządzeniach półprzewodnikowych.
Ponieważ nie opracowano technologii masowej produkcji wysokiej klasy interfejsów-cienkowarstwowych-, krajowe rozwiązania w zakresie zarządzania ciepłem stoją przed poważnymi wyzwaniami w zastosowaniach-o wysokiej wartości, takich jak chipy-motoryzacyjne, wysokiej-chipy komputerowe i urządzenia RF-wysokiej częstotliwości, przy stale niskich współczynnikach penetracji. Głównym wąskim gardłem jest niewystarczająca stabilność strukturalna interfejsów cienkowarstwowych-w długotrwałych-warunkach cykli termicznych.
Przyszły rozwój przemysłu powinien w dalszym ciągu koncentrować się na iteracyjnej optymalizacji procesów wzrostu cienkiej-warstwy AlN, stale ulepszając kluczowe aspekty, takie jak tworzenie środowisk wzrostu o wysokiej-czystości i oczyszczanie gazów prekursorowych o wysokiej-czystości, przy rygorystycznej kontroli włączania do sieci szkodliwych zanieczyszczeń, takich jak tlen. Branża musi priorytetowo traktować rozwiązywanie kluczowych problemów, takich jak spójność-każdej partii-w procesie wytwarzania cienkowarstwowej-, siła wiązania międzyfazowego i długoterminowa-stabilność usług, przy jednoczesnym ciągłym obniżaniu kosztów produkcji i przyspieszaniu komercjalizacji technologii laboratoryjnych. Tylko wtedy-wysokowydajne cienkie folie AlN będą mogły rzeczywiście osiągnąć szerokie zastosowanie komercyjne i pomóc w przezwyciężeniu wewnętrznych wąskich gardeł termicznych w krajowym-chińskim przemyśle półprzewodników dużej mocy.