近日，太原理工大學(xué)周兵課題組和武漢大學(xué)袁超課題組合作，先后在國(guó)際權(quán)威期刊《Materials Characterization》和《Diamond & Related Materials》上，發(fā)表了題為“Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites”和“Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature”的研究論文。

氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMTs)因其優(yōu)異的大功率高頻性能在大功率射頻器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，器件運(yùn)行中有源區(qū)溫度的迅速升高導(dǎo)致其難以充分發(fā)揮高功率優(yōu)勢(shì)，實(shí)際功率密度遠(yuǎn)低于理論值，從而限制了器件性能的進(jìn)一步提升。

目前，利用多晶金剛石薄膜優(yōu)異的導(dǎo)熱性能(1-3μm的厚度在室溫下熱導(dǎo)率約為300-500 W/m K)幫助氮化鎵HEMTs有效地將熱量從有源區(qū)擴(kuò)散到金剛石層是一種有效可行的方案。因此，降低金剛石/氮化鎵結(jié)構(gòu)的界面熱阻對(duì)于氮化鎵HEMTs非常重要。金剛石生長(zhǎng)工藝中的許多條件會(huì)影響金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)的熱性能及缺陷的形成。其中，金剛石形核時(shí)的偏壓和金剛石生長(zhǎng)溫度都是極為重要的參數(shù)，過去尚未得到充分的研究。

針對(duì)目前金剛石形核過程中存在的問題，提出了基于微波等離子體化學(xué)氣相沉積(MPCVD)金剛石的偏置增強(qiáng)形核技術(shù)，在不同的偏置電壓(400-700 V)下控制金剛石的形核，從而調(diào)控界面熱阻。偏置電壓的優(yōu)化有利于建立穩(wěn)定的等離子體環(huán)境并獲得完整的金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)和界面。利用自主研發(fā)的高分辨泵浦-探測(cè)熱反射法(TTR)表征了不同偏置電壓下生長(zhǎng)的金剛石/氮化鎵結(jié)構(gòu)的界面熱阻以及金剛石薄膜熱導(dǎo)率。

此外，通過控制金剛石生長(zhǎng)溫度(740-860 ℃)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中微觀結(jié)構(gòu)與熱物性(熱導(dǎo)率、界面熱阻)的調(diào)控，并通過TTR表征和結(jié)構(gòu)表征進(jìn)行了驗(yàn)證和解釋。TTR熱物性表征結(jié)果表明在700 V的偏置電壓和800 ℃的生長(zhǎng)溫度下可以同時(shí)獲得最低的界面熱阻和最高的多晶金剛石薄膜熱導(dǎo)率。

這兩項(xiàng)成果系統(tǒng)性地研究了MPCVD中通過控制形核偏壓和生長(zhǎng)溫度對(duì)金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中微觀結(jié)構(gòu)和熱物性的調(diào)控。結(jié)果表明，通過控制金剛石生長(zhǎng)工藝條件來調(diào)控金剛石/氮化鎵多層結(jié)構(gòu)中的熱物性結(jié)果是可行且有效的。這兩項(xiàng)工作進(jìn)一步優(yōu)化了氮化鎵表面金剛石的MPCVD生長(zhǎng)工藝，并有望為氮化鎵HEMTs實(shí)現(xiàn)高效的散熱從而提升器件性能提供一種潛在的方案。

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1044580323003443?via%3Dihub

論文詳情：Yiming Wang, Bing Zhou*, Guoliang Ma, Jiaqi Zhi, Chao Yuan*, Hui Sun, Yong Ma, Jie Gao, Yongsheng Wang and Shengwang Yu*, Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites, Materials Characterization, Volume 201, 2023, 112985.

全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925963523010427

論文詳情：Guoliang Ma, Yiming Wang, Ruikai Xia, Biwei Meng, Shengchao Yuan, Bing Zhou* and Chao Yuan*, Modulating microstructure and thermal properties of diamond/SiNx/GaN multilayer structure by diamond growth temperature, Diamond and Related Materials, 141,2024, 110717.

來源：太原理工大學(xué)周兵課題組和武漢大學(xué)袁超課題組研究團(tuán)隊(duì) 供稿

審核編輯：劉清