Khi chip điện toán AI và thiết bị RF thế hệ thứ ba{0}}tiếp tục phát triển theo hướng có công suất cao hơn và mật độ dòng nhiệt cao hơn, logic cạnh tranh của ngành quản lý nhiệt bán dẫn đã trải qua một sự thay đổi cơ bản. Trong nhiều trường hợp-lỗi thiết bị cao cấp, nguyên nhân cốt lõi không còn là do độ dẫn nhiệt của vật liệu tản nhiệt cơ bản-không đủ nữa mà là khả năng chịu nhiệt bề mặt cao và độ ổn định cấu trúc kém trong điều kiện chu trình nhiệt độ-cao. Nhôm nitrit (AlN), với tư cách là vật liệu gốm dẫn nhiệt cao tiêu biểu, đã chứng kiến khả năng kiểm soát độ tinh khiết và tỷ lệ-tinh tế của cấu trúc vi mô bề mặt của nó trở thành những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của chất bán dẫn công suất cao-.
1. Đột phá về mặt học thuật: Công nghệ tạo mầm ion-cấy ghép-
Để giải quyết các điểm yếu trong ngành về mật độ khuyết tật cao và khả năng chịu nhiệt cao tại các giao diện epiticular trong các thiết bị có công suất-cao, nhóm của chúng tôi đã phát triển công nghệ tạo mầm ion-cấy{2}}gây ra ion để kiểm soát chính xác sự phát triển của màng mỏng AlN thành các cấu trúc phân lớp có trật tự tốt-, giải quyết hiệu quả các vấn đề tích lũy khuyết tật do đảo-gây ra như sự tăng trưởng ngẫu nhiên thường thấy trong các quy trình thông thường. Các phép đo thử nghiệm cho thấy quá trình này làm giảm khả năng chịu nhiệt giữa các bề mặt xuống một-1/3 so với các cấu trúc truyền thống. Bước đột phá này nâng AlN từ vật liệu liên kết phụ trợ đơn giản lên nền tảng giao diện tích hợp phổ quát tương thích với nhiều loại vật liệu bán dẫn. Nó cũng xác nhận một xu hướng của ngành: việc nâng cao hiệu suất năng lượng bán dẫn không còn phụ thuộc vào việc xếp chồng các tham số chất nền; thay vào đó, các lớp giao diện AlN có độ tinh khiết cao,{10}khiếm khuyết thấp trở thành yếu tố hỗ trợ cốt lõi. AlN kết hợp độ dẫn nhiệt cao, cách điện cao và hệ số giãn nở nhiệt rất phù hợp với cacbua silic (SiC) và khá gần với gali nitrit (GaN), khiến nó trở thành vật liệu chức năng giao thoa không thể thiếu cho việc đóng gói thiết bị chính xác và dị vòng.
2. Kiểm soát tạp chất oxy: Biến cốt lõi xác định độ tin cậy của giao diện phim mỏng{1}}
Hiệu suất của giao diện cuối cùng phụ thuộc vào chất lượng tinh thể và kiểm soát tạp chất của chính màng mỏng AlN. Độ dẫn nhiệt theo lý thuyết của-tinh thể AlN đơn có thể đạt tới 320 W/(m·K), khiến nó trở thành vật liệu tản nhiệt-lý tưởng. Tuy nhiên, hiệu suất của màng mỏng được nuôi cấy epitaxy bị hạn chế bởi các khuyết tật tinh thể và hàm lượng tạp chất. Tạp chất oxy trong màng là yếu tố chính hạn chế độ dẫn nhiệt và ảnh hưởng đến độ ổn định bề mặt. AlN có hoạt tính hóa học cao và có xu hướng kết hợp các nguyên tử oxy trong quá trình tăng trưởng epiticular. Khi các nguyên tử oxy đi vào mạng tinh thể, chúng tạo thành các chỗ trống nhôm, gây ra biến dạng mạng và tăng cường tán xạ phonon, do đó làm giảm tính dẫn nhiệt nội tại của màng.
Tác động của tạp chất oxy lên các thiết bị bán dẫn vẫn tồn tại trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Oxy hòa tan trong mạng làm hỏng vĩnh viễn cấu trúc tinh thể; oxy dư trong màng tạo thành các phức chất khuyết tật trong quá trình vận hành ở nhiệt độ-cao, làm trầm trọng thêm khả năng cản nhiệt giữa các bề mặt. Trong môi trường có chu kỳ nhiệt thường xuyên, những khuyết tật này dần dần tích tụ, dẫn đến khả năng chịu nhiệt liên tục tăng lên. Trong quá trình hoạt động-lâu dài, các thiết bị dễ bị suy giảm năng lượng và giảm độ tin cậy. Do đó, việc chế tạo màng mỏng AlN có hàm lượng oxy thấp,{7}}kết tinh cao đã trở thành một hướng kỹ thuật quan trọng cho những đột phá về hiệu suất của thiết bị có năng lượng-cao.
3. Tóm tắt và triển vọng
Hiện nay, Trung Quốc đã xây dựng được nền tảng nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vững chắc trong lĩnh vực màng mỏng AlN. Sử dụng các kỹ thuật tăng trưởng mới như cấy ion, khả năng chịu nhiệt thấp, màng mỏng có cấu trúc tốt có thể được sản xuất ở quy mô phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các công nghệ chuẩn bị bề mặt tiên tiến này vẫn chưa hoàn thiện để ứng dụng trong công nghiệp do chi phí chế tạo cao, năng suất lô thấp và khả năng tương thích quy trình không đủ. Kết quả là, màng mỏng AlN hiệu suất cao-chưa thể được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị bán dẫn-cao cấp.
Do chưa đạt được công nghệ sản xuất hàng loạt cho giao diện màng mỏng-cao cấp nên các giải pháp quản lý nhiệt trong nước phải đối mặt với những thách thức đáng kể trong các ứng dụng có giá trị-giá trị cao như chip-ô tô, chip điện toán-cao cấp và thiết bị RF tần số-cao với tỷ lệ thâm nhập thấp liên tục. Nút thắt cốt lõi nằm ở độ ổn định cấu trúc không đủ của các giao diện màng mỏng-trong điều kiện chu kỳ nhiệt dài hạn.
Sự phát triển của ngành trong tương lai nên tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa lặp đi lặp lại các quy trình phát triển màng mỏng AlN-, cải thiện đều đặn các khía cạnh chính như thiết lập môi trường phát triển có-độ tinh khiết cao và tinh chế các khí tiền chất có độ tinh khiết cao-, đồng thời kiểm soát chặt chẽ việc đưa các tạp chất có hại như oxy vào mạng tinh thể. Ngành phải ưu tiên giải quyết các vấn đề quan trọng chẳng hạn như tính nhất quán của sản phẩm màng mỏng-theo lô-đến{5}}lô, độ bền liên kết giữa các bề mặt và độ ổn định dịch vụ lâu dài-, đồng thời liên tục giảm chi phí sản xuất và đẩy nhanh quá trình thương mại hóa các công nghệ trong phòng thí nghiệm. Chỉ khi đó,-màng mỏng AlN hiệu suất cao mới thực sự được áp dụng thương mại rộng rãi và giúp khắc phục nút thắt nhiệt bên trong cho ngành bán dẫn công suất cao{10}}trong nước của Trung Quốc.