เนื่องจากชิปประมวลผล AI และอุปกรณ์ RF ยุคที่สาม-ยังคงพัฒนาไปสู่พลังงานที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของฟลักซ์ความร้อนที่สูงขึ้น ตรรกะการแข่งขันของอุตสาหกรรมการจัดการความร้อนของเซมิคอนดักเตอร์ได้ประสบกับการเปลี่ยนแปลงขั้นพื้นฐาน ในสถานการณ์ความล้มเหลวของอุปกรณ์ระดับสูง- สาเหตุที่แท้จริงคือการนำความร้อนของวัสดุกระจายความร้อนพื้นฐาน-ไม่เพียงพออีกต่อไป แต่กลับมีความต้านทานความร้อนต่อพื้นผิวที่สูงและความเสถียรของโครงสร้างไม่ดีภายใต้-สภาวะการหมุนเวียนของอุณหภูมิสูง อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) ซึ่งเป็นวัสดุเซรามิกที่มีค่าการนำความร้อนสูง ได้เห็นความบริสุทธิ์และ-การควบคุมขนาดที่ละเอียดของโครงสร้างจุลภาคส่วนต่อประสานกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง-
1. ความก้าวหน้าทางวิชาการ: ไอออน-การปลูกถ่าย-เทคโนโลยีนิวเคลียสแบบเหนี่ยวนำ
เพื่อแก้ไขจุดเจ็บปวดของอุตสาหกรรมในด้านความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงและความต้านทานความร้อนสูงที่ส่วนต่อประสานแบบอีพิเทกเซียลในอุปกรณ์-กำลังสูง ทีมงานของเราได้พัฒนาเทคโนโลยีนิวเคลียสที่เหนี่ยวนำให้เกิด-การปลูกถ่ายไอออน- ซึ่งควบคุมการเติบโตของฟิล์มบาง AlN ได้อย่างแม่นยำจนเป็น-โครงสร้างแบบชั้นที่มีลำดับชั้นดี ซึ่งช่วยแก้ไขปัญหาการสะสมของข้อบกพร่องที่เกิดจากเกาะ-ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับการเติบโตแบบสุ่มที่พบในกระบวนการทั่วไป การวัดเชิงทดลองแสดงให้เห็นว่ากระบวนการนี้ลดความต้านทานความร้อนของพื้นผิวลงเหลือเพียงหนึ่ง-ของโครงสร้างแบบเดิม ความก้าวหน้าครั้งนี้ยกระดับ AlN จากวัสดุประสานเสริมธรรมดาไปเป็นแพลตฟอร์มอินเทอร์เฟซแบบรวมสากลที่เข้ากันได้กับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลากหลายชนิด นอกจากนี้ยังยืนยันถึงแนวโน้มของอุตสาหกรรม: การเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงานของเซมิคอนดักเตอร์ไม่ต้องอาศัยพารามิเตอร์การเรียงซ้อนของซับสเตรตอีกต่อไป เลเยอร์อินเทอร์เฟซ AlN ที่มี-ความบริสุทธิ์สูง -ที่มีข้อบกพร่องต่ำจะกลายเป็นตัวเปิดใช้งานหลัก AlN ผสมผสานการนำความร้อนสูง ฉนวนไฟฟ้าสูง และค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ใกล้เคียงกันกับซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และค่อนข้างใกล้เคียงกับแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ทำให้เป็นวัสดุประสานหน้าที่ขาดไม่ได้สำหรับเฮเทอโรอีพิแทกซีและบรรจุภัณฑ์อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ
2. การควบคุมการเจือปนของออกซิเจน: ตัวแปรหลักที่กำหนดความน่าเชื่อถือของอินเทอร์เฟซฟิล์มบาง-
ประสิทธิภาพของอินเทอร์เฟซในท้ายที่สุดจะขึ้นอยู่กับคุณภาพของคริสตัลและการควบคุมสิ่งเจือปนของฟิล์มบาง AlN เอง ค่าการนำความร้อนตามทฤษฎีของ-ผลึก AlN เดี่ยวสามารถสูงถึง 320 W/(m·K) ทำให้เป็นวัสดุกระจายความร้อนในอุดมคติ- อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของฟิล์มบางที่ปลูกโดยเอพิทาแอกเชียลนั้นถูกจำกัดด้วยข้อบกพร่องของผลึกและปริมาณสิ่งเจือปน สิ่งเจือปนของออกซิเจนในฟิล์มเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการนำความร้อนและส่งผลต่อความเสถียรของพื้นผิว AlN มีฤทธิ์ทางเคมีสูงและมีแนวโน้มที่จะรวมอะตอมออกซิเจนไว้ระหว่างการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว เมื่ออะตอมของออกซิเจนเข้าไปในโครงผลึก พวกมันจะก่อตัวเป็นตำแหน่งว่างของอะลูมิเนียม ทำให้เกิดการบิดเบือนของโครงตาข่าย และเพิ่มการกระจายของโฟนอน ซึ่งจะช่วยลดการนำความร้อนภายในของฟิล์มได้
ผลกระทบของสิ่งเจือปนของออกซิเจนบนอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ยังคงมีอยู่ตลอดอายุการใช้งาน ออกซิเจนที่ละลายภายในโครงตาข่ายจะสร้างความเสียหายอย่างถาวรให้กับโครงสร้างผลึก ออกซิเจนที่ตกค้างในฟิล์มจะทำให้เกิดข้อบกพร่องเชิงซ้อนระหว่าง-การทำงานของอุณหภูมิสูง ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนของพื้นผิวรุนแรงขึ้น ในสภาพแวดล้อมที่มีการหมุนเวียนความร้อนบ่อยครั้ง ข้อบกพร่องเหล่านี้จะค่อยๆ สะสม ส่งผลให้ความต้านทานความร้อนของพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในการทำงานในระยะยาว- อุปกรณ์ต่างๆ มีแนวโน้มที่จะลดประสิทธิภาพพลังงานและความน่าเชื่อถือลดลง ดังนั้น การเตรียมฟิล์มบาง-ออกซิเจน สูง-ความเป็นผลึก AlN สูงจึงกลายเป็นทิศทางทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการพัฒนาใหม่ในด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่มีกำลังสูง-
3. สรุปและแนวโน้ม
ปัจจุบัน จีนได้สร้างรากฐานการวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองที่แข็งแกร่งในสาขาฟิล์มบาง AlN การใช้เทคนิคการเจริญเติบโตแบบใหม่ เช่น การฝังไอออน ความต้านทานความร้อนต่ำ-ฟิล์มบางที่มีโครงสร้างดี สามารถผลิตได้ในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิวขั้นสูงเหล่านี้ยังไม่สุกงอมสำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรม เนื่องจากมีต้นทุนการผลิตสูง ปริมาณผลผลิตต่ำ และความเข้ากันได้ของกระบวนการไม่เพียงพอ ด้วยเหตุนี้ ฟิล์มบาง AlN ที่มีประสิทธิภาพสูง-จึงยังไม่สามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ระดับสูง-
เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากสำหรับอินเทอร์เฟซฟิล์มบาง-ระดับไฮเอนด์ยังไม่บรรลุผล โซลูชันการจัดการระบายความร้อนภายในประเทศจึงเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในการใช้งานที่มีมูลค่าสูง- เช่น ชิปเกรดยานยนต์- ชิปประมวลผล-ระดับไฮเอนด์ และอุปกรณ์ RF ความถี่สูง- ซึ่งมีอัตราการเจาะที่ต่ำอย่างต่อเนื่อง คอขวดหลักอยู่ที่ความเสถียรทางโครงสร้างที่ไม่เพียงพอของส่วนต่อประสานฟิล์มบาง-ภายใต้สภาวะการหมุนเวียนของความร้อนในระยะยาว-
การพัฒนาอุตสาหกรรมในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการสร้างฟิล์มบางของ AlN- อย่างต่อเนื่อง โดยปรับปรุงประเด็นสำคัญอย่างต่อเนื่อง เช่น การสร้างสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตที่มีความบริสุทธิ์สูง- และการทำให้ก๊าซสารตั้งต้นที่มีความบริสุทธิ์สูง- บริสุทธิ์ ขณะเดียวกันก็ควบคุมการรวมตัวของสิ่งเจือปนที่เป็นอันตราย เช่น ออกซิเจน เข้าไปในตาข่ายอย่างเข้มงวด อุตสาหกรรมจะต้องจัดลำดับความสำคัญในการแก้ปัญหาที่สำคัญ เช่น ความสอดคล้องกันของแบทช์-ต่อ-ของการผลิตฟิล์มบาง- ความแข็งแรงในการยึดเกาะของพื้นผิว และ-ความเสถียรของการบริการในระยะยาว ขณะเดียวกันก็ลดต้นทุนการผลิตอย่างต่อเนื่องและเร่งการนำเทคโนโลยีห้องปฏิบัติการไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ ด้วยเหตุนี้ ฟิล์มบาง AlN ประสิทธิภาพสูง-จึงจะสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวางได้อย่างแท้จริง และช่วยเอาชนะปัญหาคอขวดด้านความร้อนภายในสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์กำลังสูง-ในประเทศของจีน