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)和高臨界擊穿場強(~ 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)點而成為一種具有前景的晶圓級工藝方法。雖然理想的同質(zhì)界面熱阻(TBR)為零，但實際的外延或鍵合界面的質(zhì)量往往不完美，可能會阻礙器件的散熱。因此，研究4H-SiC鍵合材料的界面熱輸運性能對于器件的可靠性設(shè)計至關(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，該項成果中采用了納秒瞬態(tài)熱反射法對表面活化鍵合SiC-SiC結(jié)構(gòu)中4H-SiC薄膜熱導(dǎo)率和鍵合界面熱阻進行測量。同時，建立了考慮四聲子散射的第一性原理(DFT)熱導(dǎo)率模型和分子動力學(xué)界面熱阻模型，從理論角度對4H-SiC材料/界面的熱輸運機制提供了新的見解。圖1b中測量的4H-SiC薄膜的變溫?zé)釋?dǎo)率與包括DFT計算結(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)合分子動力學(xué)模擬(圖2b-d)表明鍵合工藝形成了極強鍵合界面，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(實驗結(jié)果來自瞬態(tài)熱反射法測量，理論計算結(jié)果來自用僅考慮三聲子散射和同時考慮三聲子和四聲子散射的第一性原理計算)。

圖2。(a) 鍵合界面的暗場高分辨率STEM橫截面圖像。(b) 基于分子動力學(xué)模擬的SiC-SiC界面熱傳輸?shù)臏囟确植际疽鈭D。(c) 分子動力學(xué)模擬中不同非晶層長度(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)熱反射測量和分子動力學(xué)模擬的界面熱阻結(jié)果對比。

4H-SiC的晶體生長受限于生長良率低、周期長等瓶頸導(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。基于青禾晶元提供的SiC-SiC鍵合材料，本研究對4H-SiC和鍵合界面的聲子輸運機制進行了深入探討，對4H-SiC高效器件制造和熱管理具有重要指導(dǎo)意義。總體而言，通過表面活化鍵合方法制備的SiC-SiC鍵合材料具有優(yōu)異熱輸運性能，是功率器件高功率、高溫應(yīng)用的優(yōu)秀候選者。這項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。

課題組簡介

武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院袁超課題組長期從事寬禁帶半導(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、聲子熱輸運理論、以及(超)寬禁帶半導(dǎo)體器件設(shè)計等領(lǐng)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢和科研特色，并致力于開發(fā)半導(dǎo)體無損熱檢測裝備。現(xiàn)承擔(dān)多個國家/省部/國際合作級重大戰(zhàn)略需求的縱向科研項目，長期和國內(nèi)外知名半導(dǎo)體集成電路企業(yè)和機構(gòu)合作。課題組主頁：

合作單位簡介

中國科學(xué)院微電子研究所成立于1958年，是我國微電子科學(xué)技術(shù)與集成電路領(lǐng)域的重要研發(fā)機構(gòu)。中國科學(xué)院微電子研究所是我國微電子科學(xué)技術(shù)與集成電路領(lǐng)域的重要研發(fā)機構(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科研部門之一，中心以國家重大戰(zhàn)略需求為牽引，在雷達、通信、電力、新能源等國家亟需領(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，重點突破材料、工藝、器件與集成等關(guān)鍵技術(shù)，為我國自主關(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)，公司的核心團隊由教授級專家、海外高層次人才、知名教授及市場戰(zhàn)略專家組成。作為國際領(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)模化量產(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)。