宽禁带科技论|中国科学院上海微系统所在高导热氧化镓异质集成晶圆热输运研究方面取得 ...

近日，中国科学院上海微系统所徐文慧博士、欧欣研究员与哈尔滨工业大学孙华锐教授合作在Si/SiC基β-Ga2O3异质集成晶圆的热输运研究方面取得进展。该工作系统研究了异质集成β-Ga2O3薄膜的热导率、界面热阻和键合衬底类型对其材料及器件散热的影响，并首次证明硅作为成本低且能与CMOS技术高度兼容的键合衬底材料，与碳化硅衬底有可比拟的散热特性。此前，已证明基于碳化硅基氧化镓异质集成材料的散热能力是氧化镓体材料的4倍（Fundamental Research, 1(6), 2021, 691-694）。该工作有利于进一步推动高导热氧化镓异质集成材料的市场化应用。

β-Ga2O3因其优异的材料特性，在电力电子器件领域具有广阔的应用前景。然而，β-Ga2O3的本征热导率较低，会限制器件的散热能力，影响器件的可靠性和性能。β-Ga2O3与高导热衬底异质集成是解决散热瓶颈的有效方案，目前主要有机械剥离、异质外延生长和离子束剥离技术这三种可行方法。机械剥离只能制备微米大小的β-Ga2O3薄片，且胶带转移工艺与传统的半导体设备不兼容，不适用于晶圆级制造。异质外延生长则需要克服由β-Ga2O3和高导热衬底之间的晶格/热失配引起的缺陷和孪晶问题。而离子束智能剥离技术无需考虑晶格、晶型失配，且已用于SOI晶圆的工业领域，最适合大规模生产异质集成β-Ga2O3晶圆。

本次工作中从衬底类型、TBReff和退火条件三方面系统地分析其对β-Ga2O3异质集成材料的热传输特性的影响。通过比较GaOSiC和GaOISiC在退火前后的热传输特性，阐明了非晶Al2O3中间层的影响。此外，还研究了刚转移（AT）和经过后退火（PA）的GaOISi的热传输特性，以证明GaOISi器件的散热能力。最后，建立了基于β-Ga2O3异质集成材料的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）热模型，以评估不同TBReff值和衬底对散热的影响，这将为β-Ga2O3异质集成材料热管理的临界TBReff值和适用衬底提供指导。通过后退火工艺，非晶Al2O3中间层对从β-Ga2O3向SiC散热的阻碍效应得到了极大的缓解。同时发现Al2O3层阻止了β-Ga2O3和高导热衬底之间的元素互扩散，从而避免了β-Ga2O3在后退火之后热导率降低。由此实现了高达9.3 W/m·K的β-Ga2O3薄膜热导率和小于10 m2K/GW的界面热阻。热仿真结果显示，异质集成β-Ga2O3 MOSFET的器件热阻减少了1到2个数量级，说明与高导热衬底集成和有效的界面热阻优化方法可实现β-Ga2O3器件的高效散热。以上结果为用于器件热管理的β-Ga2O3异质集成材料的结构设计及其热输运性能提升提供了重要指导。

该研究以《Thermal Transport Properties of β‑Ga2O3 Thin Films on Si and SiC Substrates Fabricated by an Ion-Cutting Process》为题，发表在《ACS Applied Electronic Materials》材料领域知名期刊上。上海微系统所徐文慧博士后、赵天成和哈工大（深圳）张亮辉为论文的共同第一作者，孙华锐教授、游天桂研究员、韩根全教授和欧欣研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、博士后创新人才支持计划、上海市启明星扬帆专项项目和资助的支持。

此外，中国科学院上海微系统与信息技术研究所硅基材料与集成器件实验室主任欧欣研究员还将在6月5日—7日，北京格兰云天国际酒店隆重举行的凝芯聚力，降本增效——2024宽禁带半导体技术创新与应用发展高峰论坛上发表主题为“宽禁带半导体异质集成技术”的精彩演讲，敬请各位期待！