半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊： 近日，武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組、中國(guó)科學(xué)院微電子研究所王鑫華研究員與北京青禾晶元公司母鳳文博士合作，在國(guó)際權(quán)威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上發(fā)表了題為“Robust Thermal Transport across the Surface-Active Bonding SiC-on-SiC”的研究論文。

4H-SiC具有寬帶隙(3.27 eV)和高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(~ 2.8 MV/cm)，是制造高頻、高溫和大功率電子器件的理想半導(dǎo)體。目前，外延生長(zhǎng)技術(shù)是常用的可靠4H-SiC材料和器件制造方法，而鍵合技術(shù)提供了另一種新的方案。表面活化鍵合(SAB)技術(shù)由于其室溫工藝和幾乎不需要輔助中間層的優(yōu)點(diǎn)而成為一種具有前景的晶圓級(jí)工藝方法。雖然理想的同質(zhì)界面熱阻(TBR)為零，但實(shí)際的外延或鍵合界面的質(zhì)量往往不完美，可能會(huì)阻礙器件的散熱。因此，研究4H-SiC鍵合材料的界面熱輸運(yùn)性能對(duì)于器件的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要，從而保障器件高功率和高溫應(yīng)用。然而，目前還缺乏對(duì)微納尺度4H-SiC鍵合材料熱導(dǎo)率和界面熱阻的研究。

如圖1a所示，該項(xiàng)成果中采用了納秒瞬態(tài)熱反射法對(duì)表面活化鍵合SiC-SiC結(jié)構(gòu)中4H-SiC薄膜熱導(dǎo)率和鍵合界面熱阻進(jìn)行測(cè)量。同時(shí)，建立了考慮四聲子散射的第一性原理(DFT)熱導(dǎo)率模型和分子動(dòng)力學(xué)界面熱阻模型，從理論角度對(duì)4H-SiC材料/界面的熱輸運(yùn)機(jī)制提供了新的見解。圖1b中測(cè)量的4H-SiC薄膜的變溫?zé)釋?dǎo)率與包括DFT計(jì)算結(jié)果一致，~1 um 4H-SiC的高熱導(dǎo)率(209 W/m K)表明了鍵合所采用的薄膜具有高質(zhì)量。圖2a中的STEM圖像顯示了表面活化鍵合方法制備的結(jié)合良好的SiC-SiC鍵合界面。在SiC-SiC界面處測(cè)量到非零但極小的界面熱阻(2.33 + 0.43/?1.15 m2 K/GW)，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬(圖2b-d)表明鍵合工藝形成了極強(qiáng)鍵合界面，界面處非晶態(tài)含量非常低。此外，基于SiC-SiC功率器件(如肖特基二極管)的典型結(jié)構(gòu)，建立了二維有限元器件模型，驗(yàn)證了器件在高溫高功率下應(yīng)用的可能。

圖1。(a) 表面活化鍵合SiC-SiC材料的瞬態(tài)熱反射法測(cè)量示意圖。(b) 表面活化鍵合SiC-SiC材料中4H-SiC薄膜的熱導(dǎo)率結(jié)果(實(shí)驗(yàn)結(jié)果來自瞬態(tài)熱反射法測(cè)量，理論計(jì)算結(jié)果來自用僅考慮三聲子散射和同時(shí)考慮三聲子和四聲子散射的第一性原理計(jì)算)。

圖2。(a) 鍵合界面的暗場(chǎng)高分辨率STEM橫截面圖像。(b) 基于分子動(dòng)力學(xué)模擬的SiC-SiC界面熱傳輸?shù)臏囟确植际疽鈭D。(c) 分子動(dòng)力學(xué)模擬中不同非晶層長(zhǎng)度(2、6、10和20 nm)下的界面熱阻。(d) 在室溫至750 K范圍內(nèi)，瞬態(tài)熱反射測(cè)量和分子動(dòng)力學(xué)模擬的界面熱阻結(jié)果對(duì)比。

4H-SiC的晶體生長(zhǎng)受限于生長(zhǎng)良率低、周期長(zhǎng)等瓶頸導(dǎo)致成本無法有效降低。青禾晶元的4H-SiC表面活化鍵合技術(shù)可以將高、低質(zhì)量4H-SiC襯底進(jìn)行鍵合集成，有效利用低質(zhì)量襯底從而顯著降低材料成本?；谇嗪叹г峁┑腟iC-SiC鍵合材料，本研究對(duì)4H-SiC和鍵合界面的聲子輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了深入探討，對(duì)4H-SiC高效器件制造和熱管理具有重要指導(dǎo)意義?？傮w而言，通過表面活化鍵合方法制備的SiC-SiC鍵合材料具有優(yōu)異熱輸運(yùn)性能，是功率器件高功率、高溫應(yīng)用的優(yōu)秀候選者。這項(xiàng)工作表明表面活化鍵合是一種能夠?qū)崿F(xiàn)4H-SiC材料/界面優(yōu)異熱輸運(yùn)性質(zhì)的工藝方法，為未來探索4H-SiC高溫高功率應(yīng)用的器件制造提供了一個(gè)新的思路。

全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c02161

論文詳情：Robust Thermal Transport across the Surface-Active Bonding SiC-on-SiC. Guoliang Ma, Xinglin Xiao, Biwei Meng, Yunliang Ma, Xiangjie Xing, Xinhua Wang*, Fengwen Mu*, and Chao Yuan* ACS Appl. Mater. Interfaces 2024.

論文第一作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院博士生麻國(guó)梁，通訊作者為武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超研究員，中國(guó)科學(xué)院微電子研究所王鑫華研究員和北京青禾晶元母鳳文博士。

課題組簡(jiǎn)介

武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組長(zhǎng)期從事寬禁帶半導(dǎo)體熱表征和熱管理研究工作，在薄膜尺度熱反射表征方法、聲子熱輸運(yùn)理論、以及(超)寬禁帶半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和科研特色，并致力于開發(fā)半導(dǎo)體無損熱檢測(cè)裝備?，F(xiàn)承擔(dān)多個(gè)國(guó)家/省部/國(guó)際合作級(jí)重大戰(zhàn)略需求的縱向科研項(xiàng)目，長(zhǎng)期和國(guó)內(nèi)外知名半導(dǎo)體集成電路企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作。課題組主頁(yè)：

合作單位簡(jiǎn)介

中國(guó)科學(xué)院微電子研究所成立于1958年，是我國(guó)微電子科學(xué)技術(shù)與集成電路領(lǐng)域的重要研發(fā)機(jī)構(gòu)。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所是我國(guó)微電子科學(xué)技術(shù)與集成電路領(lǐng)域的重要研發(fā)機(jī)構(gòu)，具備從原理器件、集成工藝、制造裝備到核心芯片開發(fā)的全鏈條、體系化科技創(chuàng)新與關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)能力。高頻高壓中心是所屬十二個(gè)科研部門之一，中心以國(guó)家重大戰(zhàn)略需求為牽引，在雷達(dá)、通信、電力、新能源等國(guó)家亟需領(lǐng)域開展核心電子器件研究工作，以化合物半導(dǎo)體、碳基半導(dǎo)體等材料為載體，重點(diǎn)突破材料、工藝、器件與集成等關(guān)鍵技術(shù)，為我國(guó)自主關(guān)鍵核心元器件的代際突破提供解決方案。

合作單位簡(jiǎn)介

北京青禾晶元成立于2020年7月，聚焦于新型半導(dǎo)體材料與器件集成技術(shù)的研發(fā)與量產(chǎn)，公司的核心團(tuán)隊(duì)由教授級(jí)專家、海外高層次人才、知名教授及市場(chǎng)戰(zhàn)略專家組成。作為國(guó)際領(lǐng)先的半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)企業(yè)，青禾晶元是全球少數(shù)掌握全套先進(jìn)半導(dǎo)體材料與器件集成技術(shù)的公司之一，產(chǎn)品主要面向第三代半導(dǎo)體、三維堆疊、先進(jìn)封裝、功率模塊集成等應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)已完成SiC、LTOI、LNOI等鍵合襯底材料的規(guī)?；慨a(chǎn)以及高端晶圓鍵合設(shè)備、Chiplet混合鍵合設(shè)備、功率模塊燒結(jié)鍵合設(shè)備的開發(fā)。