Allt eftersom AI-beräkningskretsar och tredje-generationens RF-enheter fortsätter att utvecklas mot högre effekt och högre värmeflödestätheter, har konkurrenslogiken inom halvledarvärmehanteringsindustrin genomgått en fundamental förändring. I många-scenarier för avancerade enhetsfel är grundorsaken inte längre otillräcklig värmeledningsförmåga hos grundläggande värme-avledande material, utan snarare högt termiskt motstånd och dålig strukturell stabilitet under hög-temperaturcykelförhållanden. Aluminiumnitrid (AlN), som ett representativt keramiskt material med hög värmeledningsförmåga, har sett renheten och finskalig kontroll av dess gränssnittsmikrostruktur blivit kritiska faktorer som påverkar prestandan och livslängden för halvledare med hög-effekt.
1. Akademiskt genombrott: jon-implantation-inducerad kärnbildningsteknik
För att ta itu med industrins smärtpunkter med hög defekttäthet och hög termisk resistans vid epitaxiella gränssnitt i hög-enheter har vårt team utvecklat en jon-implantations-inducerad kärnbildningsteknologi som exakt kontrollerar tillväxten av AlN-tunna filmer till väl-ordnade lagerstrukturer som effektivt löser defekterna genom att återställa defekterna. ö-liknande slumpmässig tillväxt som ses i konventionella processer. Experimentella mätningar visar att denna process minskar gränsytans termiska motstånd till en -tredjedel av traditionella strukturer. Detta genombrott lyfter AlN från ett enkelt hjälpbindningsmaterial till en universell integrerad gränssnittsplattform som är kompatibel med en mängd olika halvledarmaterial. Det bekräftar också en branschtrend: förbättringen av halvledareffektprestanda är inte längre beroende av stapling av substratparametrar; snarare blir AlN-gränssnittsskikt med hög-renhet och låg{10}}defekt kärnan. AlN kombinerar hög värmeledningsförmåga, hög elektrisk isolering och en värmeutvidgningskoefficient som nära matchar kiselkarbid (SiC) och är ganska nära galliumnitrid (GaN), vilket gör det till ett oumbärligt funktionellt gränssnittsmaterial för heteroepitaxi och precisionsenhetsförpackningar.
2. Syreföroreningskontroll: kärnvariabeln som bestämmer tunn-filmgränssnittstillförlitlighet
Gränssnittets prestanda beror i slutändan på kristallkvaliteten och föroreningskontrollen hos själva AlN-tunna filmen. Den teoretiska värmeledningsförmågan hos enkel-AlN kan nå 320 W/(m·K), vilket gör det till ett idealiskt- värmeavledande material. Prestandan hos epitaxiellt odlade tunna filmer begränsas emellertid av kristalldefekter och föroreningsinnehåll. Syreföroreningar i filmen är nyckelfaktorn som begränsar värmeledningsförmågan och påverkar gränsytans stabilitet. AlN har hög kemisk aktivitet och är benägen att införliva syreatomer under epitaxiell tillväxt. När syreatomer väl kommer in i kristallgittret, bildar de aluminiumvakanser, inducerar gitterdistorsion och förbättrar fononspridning, vilket minskar filmens inneboende värmeledningsförmåga.
Effekten av syreföroreningar på halvledarenheter kvarstår under hela deras livslängd. Upplöst syre i gittret skadar permanent kristallstrukturen; kvarvarande syre i filmen bildar defektkomplex under drift med hög-temperatur, vilket förvärrar gränsytans termiska motstånd. I miljöer med frekvent termisk cykling ackumuleras dessa defekter gradvis, vilket leder till en kontinuerlig ökning av gränsytans termiska motstånd. Under lång-drift är enheter benägna att strömförsämras och minska tillförlitligheten. Därför har beredningen av tunna AlN-filmer med låg-syre och hög-kristallinitet blivit en kritisk teknisk riktning för genombrott i hög-enhetsprestanda.
3. Sammanfattning och Outlook
För närvarande har Kina byggt en solid teoretisk och experimentell forskningsgrund inom området AlN-tunna filmer. Med hjälp av nya tillväxttekniker som jonimplantation, låg termisk resistans kan väl-strukturerade tunna filmer produceras i laboratorieskala. Emellertid har dessa avancerade gränssnittsberedningsteknologier ännu inte mognat för industriell tillämpning på grund av höga tillverkningskostnader, lågt batchutbyte och otillräcklig processkompatibilitet. Som ett resultat kan hög-AlN-tunna filmer ännu inte användas allmänt i avancerade-halvledarenheter.
Eftersom massproduktionsteknik för avancerade-tunnfilmsgränssnitt inte har uppnåtts, står inhemska värmehanteringslösningar inför betydande utmaningar i hög-tillämpningar som t.ex. fordons-chips, high-beräkningschips och hög-RF-enheter med låg penetrationshastighet. Kärnan i flaskhalsen ligger i den otillräckliga strukturella stabiliteten hos tunna-filmgränssnitt under långvariga- termiska cykliska förhållanden.
Framtida industriutveckling bör fortsätta att fokusera på den iterativa optimeringen av AlN-tunn-filmtillväxtprocesser, ständigt förbättra nyckelaspekter såsom etablering av hög-ren tillväxtmiljöer och rening av hög-rena prekursorgaser, samtidigt som man rigoröst kontrollerar införlivandet av skadliga föroreningar som syre. Branschen måste prioritera att lösa kritiska problem som batch-till-batchkonsistens av tunn-filmtillverkning, gränssnittsbindningsstyrka och långtids-servicestabilitet, samtidigt som produktionskostnaderna sänks kontinuerligt och kommersialiseringen av laboratorietekniker påskyndas. Först då kan högpresterande AlN-tunna filmer verkligen uppnå omfattande kommersiell användning och hjälpa till att övervinna den interna termiska flaskhalsen för Kinas inhemska{10}}halvledarindustri med hög effekt.