第一作者：Xiaoyang Ji
通讯作者：Jianbo Liang，Zhe Cheng
通讯单位：1.Department of Materials Science and Engineering and Materials Research Laboratory, University of Illinois at Urbana-Champaign 2.Department of Physics and Electronics, Osaka Metropolitan University
https://doi.org/10.1002/aelm.202400387
研究背景
随着数据中心、电动汽车、5G基站、雷达系统和卫星通信等应用的迅速扩展，对尺寸紧凑、高能效的功率和射频（RF）设备的需求不断增加。在这些设备中，如氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和β-氧化镓（Ga2O3）等半导体因其高临界电场（critical electric field ）和低特定电阻（specific on-resistance）而备受关注。然而，局部热流过大带来的热点，降低了器件的性能和可靠性。为了降低峰值温度，人们将器件布置在如诸如金刚石的高导热基板上。尽管如此，半导体中的界面热阻仍会对散热产生阻碍。因此，为了实现功率/射频电子设备的高效热管理，集成半导体必须具有的三个关键性能：
1.半导体必须具有高导热性；
2.半导体和基板之间的界面热阻要低；
3.异质结构或复合晶圆应能承受高温，以便于在器件生长或制造中承受高温。
文章概述
近日，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程系的Zhe Cheng课题组与来自大阪市立大学的物理和电子系的Jianbo Liang在《Advanced Electronic Materials》上发表了题为“Interfacial Reaction Boosts Thermal Conductance of Room-Temperature Integrated Semiconductor Interfaces Stable up to 1100 °C”的工作。他们研究了通过表面激活键合（surface-activated bonding，SAB）技术集成的3C-SiC薄膜和金刚石基板之间的界面热导。研究发现，经过退火处理，3C-SiC和金刚石之间的界面热导（thermal boundary conductance，TBC）提高了约300%，超过了所有其他生长和键合的异质界面。这一增强归因于界面反应，特别是非晶硅在与金刚石相互作用时转变为SiC-C的过程，这一过程通过皮秒超声测量进一步证实。在1100°C退火后，实现了约150 MW m−2 K−1的界面热导，这在所有键合金刚石界面中是最高的。此外，通过飞秒激光配合时域热反射测量技术（TDTR）可视化的大区域TBC显示了界面的均匀性，这些界面在高达1100°C的温度下仍然保持稳定。这项研究在基板键合的传热性能领域标志着一个重要的进步，对于发展下一代电子设备的增强冷却技术有重要意义。
研究亮点
高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）配合快速傅里叶变换（FFT）被用来表征三个样品的键合界面，如图1所示。对于室温下直接合成的样品，3C-SiC薄膜和金刚石基板之间的界面区域厚度约为10nm。键合界面的FFT图像揭示了非晶中间层的存在，但其缺乏长程原子序。在800°C和1100°C退火后，观察到3C-SiC/金刚石界面的界面纳米结构发生了显著变化。在800°C退火后，界面区域减少到约9nm，表现出多晶性质，正如FFT图案所示。在1100°C退火后，界面区域与800°C退火后观察到的相似。更为关键的是，在1100°C时，中间层转变为单晶状态，这由与3C-SiC{111}平面相关的可辨识的晶格条纹和FFT图像中规整衍射图案所证实。
图1：展示了3C-SiC/金刚石样品在高温退火前后的界面结构变化。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像和快速傅里叶变换（FFT）图像显示了键合界面的厚度和结构变化。从左至右依次为室温下直接使用SAB，800℃下退火（sample2），1100℃（sample3）下退火，退火后界面层由非晶态（sample1）转变为多晶3C-SiC（sample2）单晶3C-SiC（sample3）结构。
图2：展示了使用飞秒激光基时域热反射（TDTR）测量3C-SiC/单晶金刚石界面的热测量结果。
对三种3C-SiC/多晶金刚石样品进行了TBC测量，结果显示键合样品和在800°C及1100°C退火后的样品的平均TBC值分别为38、92和150 MW m−2 K−1。SiC/多晶金刚石界面的TBC在800°C和1100°C退火后分别提高了142%和295%。如图2所示，3C-SiC/多晶金刚石界面的TBC比3C-SiC/单晶金刚石界面显示出更大的点对点变化。 文章认为多晶热导大于单晶热导的现象是金刚石晶粒取向引起的。 作者还观察到3C-SiC/多晶金刚石界面的平均TBC高于3C-SiC/单晶金刚石界面。 这是一个对实际应用十分有意义的现象，因为大尺寸的多晶金刚石晶圆更容易制备。
图3：展示了3C-SiC/金刚石异质结构的热性能。包括3C-SiC薄膜的热导率与其他半导体薄膜的比较，以及3C-SiC/金刚石界面的TBC与其他键合金刚石界面的比较。
由于电子设备中的某些组件（如金属接触）无法承受高温，因此在室温下对高热导率材料进行异质键合变得至关重要。该研究研究中的3C-SiC（约190 W/m·K）的热导率在所有近室温下可集成的类似厚度的半导体薄膜中是最高的。同时，由于高温退火的过程。该结构具有很强的温度稳定性，如果需要在高温下对半导体器件进行制造，该高导热界面依旧不会被破坏。
图4：展示了1100°C退火后的3C-SiC/金刚石界面的TBC可视化。TDTR映射测量的示意图和扫描区域内TBC的分布。
如图4显示，96%的界面热导（TBC）值落在95至115 MW m-2 K-1的范围内，这也证实了SiC薄膜和金刚石基板之间存在一个均匀且牢固的键合界面，从而在大面积上实现了持续高的TBC值。任何显示低TBC值的不规则点都归因于界面处相对较弱的键合，这种情况通常发生在20微米×20微米的区域内。值得注意的是，在该区域内观察到的相对弱键合区域非常少。
主要结论
本研究展示了通过室温表面激活键合（SAB）技术实现了半导体异质结构的集成：3C-SiC结合单/多晶金刚石基板，该体系展示出了极高的界面热导。这一增强归因于在1100°C退火后，非晶硅中间层通过界面Si和C原子与金刚石基板之间的化学反应转变为晶态SiC。与非晶金刚石界面相比，SiC/单晶金刚石界面的TBC提高了226%，而SiC/多晶金刚石界面提高了295%。皮秒超声测量验证了不同温度退火后的结构变化。此外，TDTR映射揭示的TBC显示出高均匀性，96%的值落在95-115 MW m−2 K−1的范围内。同时，高达1100°C的界面键合稳定性和高TBC为这些复合基板上的器件制造提供了一个新的设计方案。
文章信息：
Interfacial Reaction Boosts Thermal Conductance of Room-Temperature Integrated Semiconductor Interfaces Stable up to 1100 °C. Xiaoyang Ji, Zifeng Huang, Yutaka Ohno, Koji Inoue, Yasusyohi Nagai, Yoshiki Sakaida, Hiroki Uratani, Jinchi Sun, Naoteru Shigekawa, Jianbo Liang, Zhe Cheng
https://doi.org/10.1002/aelm.202400387
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编辑｜Ding Yafei
公众号｜rezhi2021