科技進展

上海微系統所在超寬禁帶半導體氧化鎵異質集成技術領域取得進展

  

  近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所歐欣研究員課題組與西安電子科技大學郝躍院士團隊韓根全教授合作,利用基于“萬能離子刀”的異質集成技術將氧化鎵(Ga2O3)材料與器件的散熱能力提升4倍以上,并在實驗上觀測到了異質集成Ga2O3器件的表面溫度明顯低于體襯底Ga2O3器件。相關研究成果以“Efficient thermal dissipation in wafer-scale heterogeneous integration of single-crystalline β-Ga2O3 thin film on SiC”發表在國家自然科學基金委員會主辦的Fundamental Research期刊,并被選為“寬禁帶和超寬禁帶半導體”專題的正封面文章。 

  作為一種新型超寬禁帶半導體材料,Ga2O3具有大的禁帶寬度(~4.9 eV),高的擊穿電場(~8 MV/cm),低的導通電阻(相同耐壓下約是GaN 基器件的1/3),大的Baliga優值指數(分別是GaNSiC的四倍和十倍)等優勢。因此,Ga2O3電子器件具有耐壓高、功率高和電路損耗小等特點,在通信、雷達、航空航天、高鐵動車、新能源汽車等領域具有重要的應用價值和巨大的市場空間,已經吸引了學術界和產業界的極大重視和廣泛興趣。然而,Ga2O3晶體材料固有的熱導率極低,(只有碳化硅熱導率的1/10),使得直接在Ga2O3晶體材料上制備電子器件,散熱將成為制約器件性能的主要瓶頸。 

  與氮化鎵材料體系類似,將氧化鎵單晶薄膜與高導熱襯底材料結合形成異質集成材料是解決其散熱問題的有效途徑之一。由于晶格失配等物理限制,傳統的異質外延生長技術難以在碳化硅等高導熱襯底上生長出高質量的氧化鎵單晶薄膜。2019年,中國科學院微系統與信息技術研究所歐欣團隊與西安電子科技大學郝躍院士團隊韓根全教授合作,采用離子束剝離與轉移技術在國際上首次實現晶圓級Ga2O3單晶薄膜與高導熱硅基和碳化硅基襯底的異質集成,制備出了Ga2O3/SiGa2O3/SiC異質集成材料,對比基于同質 Ga2O3襯底的器件,異質集成 Ga2O3器件熱穩定性有顯著的提升,成果發表在微電子領域頂級國際會議IEDM上(10.1109/IEDM19573.2019.8993501)。 

  在本工作中,該團隊對Ga2O3/SiC異質集成材料和器件的散熱特性進行了深入研究。瞬態熱反射測試結果表明Ga2O3/SiC異質集成材料的熱弛豫要明顯快于Ga2O3體材料,通過高溫后退火可消除注入應力、缺陷,提升異質界面質量,可進一步降低材料等效界面熱阻。利用紅外熱成像技術直觀地觀察到在相同功率下基于Ga2O3/SiC異質集成材料的SBD器件表面溫度明顯低于Ga2O3體材料器件,Ga2O3/SiC異質集成材料的等效熱阻為43.55 K/W,僅為Ga2O3體材料(188.24 K/W)的1/4,這表明通過與高導熱襯底集成能夠有效提升Ga2O3器件的熱耗散。本研究不僅加深了對異質材料界面熱傳輸機理的理解,也為 Ga2O3器件的熱管理提供了一種有效的解決方案,從而為開發下一代高性能功率器件提供關鍵技術和材料支撐。 

  本論文共同第一作者為中科院上海微系統所博士生徐文慧和游天桂博士,共同通訊作者為中科院上海微系統所歐欣研究員和西安電子科技大學韓根全教授。該工作得到了國家自然科學基金應急管理重點項目、中國科學院前沿科學重點研發項目、上海市優秀學術帶頭人等項目的支持。 

  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325821002156 

  Fundamental Research“寬禁帶和超寬禁帶半導體”專題正封面 

  異質集成提升氧化鎵材料與器件的散熱能力 

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