用金刚石层解决氧化镓导热性差的问题
2021/8/3 21:23:41 材料来源：化合物半导体
通过金刚石纳米颗粒的高密度晶种实现金刚石层的生长，克服了氧化镓的低导热性
对于Ga2O3，强大的优势与显著的缺陷密切相关。由于超宽带隙，这种氧化物可以承受非常高的电场，使其有可能超越由 SiC 和 GaN 制成的器件。与这两个竞争对手不同的是，Ga2O3 享受着大块材料的熔体生长。然而，它受到缺乏 p 掺杂以及通常只有 11-27 Wm-1K-1 的可怜的热导率的困扰。
帮助解决后一个问题的是美国的一项合作，该合作最近通过在 Ga2O3 层上直接沉积高导热层（在这种情况下为金刚石）而开辟了新的领域。
团队发言人、斯坦福大学的 Srabanti Chowdhury 强调了这一突破的重要性，他告诉 《化合物半导体》，改善散热对于 Ga2O3、功率和射频器件的发展至关重要。 “然而，这种热管理必须对两种应用都具有成本效益，尤其是电力电子方面。”
成本限制阻碍了大面积单晶金刚石晶片的使用，因为单晶片金刚石价格昂贵且尺寸和可用性有限�；怪档米⒁獾氖�，这种形式的钻石不会产生最佳效果。通过将小块单晶金刚石（通常尺寸仅为 3mm x 3mm）放置在 Ga2O3 上构建的结构的热边界电阻约为 60 m2 K GW-1。将剥离的 Ga2O3 转移到单晶金刚石上时也发现了类似的数字，但对于美国团队生产的以多晶金刚石为特征的结构，热边界电阻仅为 30 m2 K GW-1 左右。
“我们测得的金刚石-氧化镓热边界电阻与 GaN 上 CVD 生长金刚石的热边界电阻相当，具有大致相同的氮化硅介电层，这是一个非常有希望的结果，”Chowdhury 兴奋地说道。
来自斯坦福大学、宾夕法尼亚州立大学、佐治亚理工学院和加州大学戴维斯分校的团队必须开发一种新的金刚石层生长工艺。这是因为通过微波等离子体 CVD 直接生长金刚石层会导致基材分解。
为了克服这个问题，研究人员研究了实现高密度播种的三种不同方法：纳米颗粒溶液中的超声处理、滴落播种和聚合物辅助播种。
超声波播种未能实现连续的金刚石层。金刚石纳米颗粒倾向于团聚，导致 B-Ga2O3 表面不受等离子体�；�。随后发生基材分解。
滴落播种能够沉积金刚石层，但由于种子层非常厚，因此存在不均匀性。并且由于热膨胀系数的差异，金刚石一旦厚度超过约 200 纳米就会分层。
聚合物辅助播种效果最好。研究人员开发了一种自组装方法，在添加具有正 zeta 电位的纳米粒子之前，使用聚合物制备负静电表面。这在表面填充了密度超过 1012cm-2 的纳米颗粒。然而，由于 B-Ga2O3 在氢等离子体中的高分解率，氢离子可能会穿过纳米颗粒并对氧化物表面造成损害。为了防止这种情况，该团队在 B-Ga2O3 和金刚石纳米颗粒之间插入了一层薄薄的 SiO2。这导致金刚石层的生长。
（上图显示了通过添加一层薄薄的 SiO2 和聚合物辅助的金刚石纳米颗粒晶种在 Ga2O3 上生长金刚石层。）
对具有 19 nm 厚 SiO2 层和 267 nm 厚金刚石层的样品进行测量显示，其热导率为 110 W m-1 K-1。
现在将致力于降低热边界电阻并增加多晶金刚石的厚度，同时不降低 Ga2O3 的性能。
参考
M. Malakoutian et al. Appl. Phys. Express 14 055502 (2021)
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