金剛石/氮化鎵薄膜生長工藝與熱物性表征領(lǐng)域研究進展

近日，太原理工大學(xué)周兵課題組和武漢大學(xué)袁超課題組合作，先后在國際權(quán)威期刊《Materials Characterization》和《Diamond & Related Materials》上，發(fā)表了題為“Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites”和“Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature”的研究論文。

氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMTs)因其優(yōu)異的大功率高頻性能在大功率射頻器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，器件運行中有源區(qū)溫度的迅速升高導(dǎo)致其難以充分發(fā)揮高功率優(yōu)勢，實際功率密度遠低于理論值，從而限制了器件性能的進一步提升。

目前，利用多晶金剛石薄膜優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(1-3μm的厚度在室溫下熱導(dǎo)率約為300-500 W/m K)幫助氮化鎵HEMTs有效地將熱量從有源區(qū)擴散到金剛石層是一種有效可行的方案。因此，降低金剛石/氮化鎵結(jié)構(gòu)的界面熱阻對于氮化鎵HEMTs非常重要。金剛石生長工藝中的許多條件會影響金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)的熱性能及缺陷的形成。其中，金剛石形核時的偏壓和金剛石生長溫度都是極為重要的參數(shù)，過去尚未得到充分的研究。

針對目前金剛石形核過程中存在的問題，提出了基于微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)金剛石的偏置增強形核技術(shù)，在不同的偏置電壓(400-700 V)下控制金剛石的形核，從而調(diào)控界面熱阻。偏置電壓的優(yōu)化有利于建立穩(wěn)定的等離子體環(huán)境并獲得完整的金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)和界面。利用自主研發(fā)的高分辨泵浦-探測熱反射法(TTR)表征了不同偏置電壓下生長的金剛石/氮化鎵結(jié)構(gòu)的界面熱阻以及金剛石薄膜熱導(dǎo)率。

此外，通過控制金剛石生長溫度(740-860 ℃)實現(xiàn)了對金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中微觀結(jié)構(gòu)與熱物性(熱導(dǎo)率、界面熱阻)的調(diào)控，并通過TTR表征和結(jié)構(gòu)表征進行了驗證和解釋。TTR熱物性表征結(jié)果表明在700 V的偏置電壓和800 ℃的生長溫度下可以同時獲得最低的界面熱阻和最高的多晶金剛石薄膜熱導(dǎo)率。

這兩項成果系統(tǒng)性地研究了MPCVD中通過控制形核偏壓和生長溫度對金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中微觀結(jié)構(gòu)和熱物性的調(diào)控。結(jié)果表明，通過控制金剛石生長工藝條件來調(diào)控金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中的熱物性結(jié)果是可行且有效的。這兩項工作進一步優(yōu)化了氮化鎵表面金剛石的MPCVD生長工藝，并有望為氮化鎵HEMTs實現(xiàn)高效的散熱從而提升器件性能提供一種潛在的方案。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580323003443?via%3Dihub

論文詳情：Yiming Wang, Bing Zhou*, Guoliang Ma, Jiaqi Zhi, Chao Yuan*, Hui Sun, Yong Ma, Jie Gao, Yongsheng Wang and Shengwang Yu*, Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites, Materials Characterization, Volume 201, 2023, 112985.

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963523010427

論文詳情：Guoliang Ma, Yiming Wang, Ruikai Xia, Biwei Meng, Shengchao Yuan, Bing Zhou* and Chao Yuan*, Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature, Diamond and Related Materials, 141,2024, 110717.

來源：太原理工大學(xué)周兵課題組和武漢大學(xué)袁超課題組研究團隊 供稿

審核編輯：劉清