半导体产业网讯： 近日，武汉大学工业科学研究院袁超课题组、中国科学院微电子研究所王鑫华研究员与北京青禾晶元公司母凤文博士合作，在国际权威期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表了题为“Robust Thermal Transport across the Surface-Active Bonding SiC-on-SiC”的研究论文。
4H-SiC具有宽带隙(3.27 eV)和高临界击穿场强(~ 2.8 MV/cm)，是制造高频、高温和大功率电子器件的理想半导体。目前，外延生长技术是常用的可靠4H-SiC材料和器件制造方法，而键合技术提供了另一种新的方案。表面活化键合(SAB)技术由于其室温工艺和几乎不需要辅助中间层的优点而成为一种具有前景的晶圆级工艺方法。虽然理想的同质界面热阻(TBR)为零，但实际的外延或键合界面的质量往往不完美，可能会阻碍器件的散热。因此，研究4H-SiC键合材料的界面热输运性能对于器件的可靠性设计至关重要，从而保障器件高功率和高温应用。然而，目前还缺乏对微纳尺度4H-SiC键合材料热导率和界面热阻的研究。
如图1a所示，该项成果中采用了纳秒瞬态热反射法对表面活化键合SiC-SiC结构中4H-SiC薄膜热导率和键合界面热阻进行测量。同时，建立了考虑四声子散射的第一性原理(DFT)热导率模型和分子动力学界面热阻模型，从理论角度对4H-SiC材料/界面的热输运机制提供了新的见解。图1b中测量的4H-SiC薄膜的变温热导率与包括DFT计算结果一致，~1 um 4H-SiC的高热导率(209 W/m K)表明了键合所采用的薄膜具有高质量。图2a中的STEM图像显示了表面活化键合方法制备的结合良好的SiC-SiC键合界面。在SiC-SiC界面处测量到非零但极小的界面热阻(2.33 + 0.43/?1.15 m2 K/GW)，结合分子动力学模拟(图2b-d)表明键合工艺形成了极强键合界面，界面处非晶态含量非常低。此外，基于SiC-SiC功率器件(如肖特基二极管)的典型结构，建立了二维有限元器件模型，验证了器件在高温高功率下应用的可能。
图1。(a) 表面活化键合SiC-SiC材料的瞬态热反射法测量示意图。(b) 表面活化键合SiC-SiC材料中4H-SiC薄膜的热导率结果(实验结果来自瞬态热反射法测量，理论计算结果来自用仅考虑三声子散射和同时考虑三声子和四声子散射的第一性原理计算)。
图2。(a) 键合界面的暗场高分辨率STEM横截面图像。(b) 基于分子动力学模拟的SiC-SiC界面热传输的温度分布示意图。(c) 分子动力学模拟中不同非晶层长度(2、6、10和20 nm)下的界面热阻。(d) 在室温至750 K范围内，瞬态热反射测量和分子动力学模拟的界面热阻结果对比。
4H-SiC的晶体生长受限于生长良率低、周期长等瓶颈导致成本无法有效降低。青禾晶元的4H-SiC表面活化键合技术可以将高、低质量4H-SiC衬底进行键合集成，有效利用低质量衬底从而显著降低材料成本。基于青禾晶元提供的SiC-SiC键合材料，本研究对4H-SiC和键合界面的声子输运机制进行了深入探讨，对4H-SiC高效器件制造和热管理具有重要指导意义。总体而言，通过表面活化键合方法制备的SiC-SiC键合材料具有优异热输运性能，是功率器件高功率、高温应用的优秀候选者。这项工作表明表面活化键合是一种能够实现4H-SiC材料/界面优异热输运性质的工艺方法，为未来探索4H-SiC高温高功率应用的器件制造提供了一个新的思路。
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c02161
论文详情：Robust Thermal Transport across the Surface-Active Bonding SiC-on-SiC. Guoliang Ma, Xinglin Xiao, Biwei Meng, Yunliang Ma, Xiangjie Xing, Xinhua Wang*, Fengwen Mu*, and Chao Yuan* ACS Appl. Mater. Interfaces 2024.
论文第一作者为武汉大学工业科学研究院博士生麻国梁，通讯作者为武汉大学工业科学研究院袁超研究员，中国科学院微电子研究所王鑫华研究员和北京青禾晶元母凤文博士。
课题组简介
武汉大学工业科学研究院袁超课题组长期从事宽禁带半导体热表征和热管理研究工作，在薄膜尺度热反射表征方法、声子热输运理论、以及(超)宽禁带半导体器件设计等领域具有一定的技术优势和科研特色，并致力于开发半导体无损热检测装备。现承担多个国家/省部/国际合作级重大战略需求的纵向科研项目，长期和国内外知名半导体集成电路企业和机构合作。课题组主页：
合作单位简介
中国科学院微电子研究所成立于1958年，是我国微电子科学技术与集成电路领域的重要研发机构。中国科学院微电子研究所是我国微电子科学技术与集成电路领域的重要研发机构，具备从原理器件、集成工艺、制造装备到核心芯片开发的全链条、体系化科技创新与关键核心技术攻关能力。高频高压中心是所属十二个科研部门之一，中心以国家重大战略需求为牵引，在雷达、通信、电力、新能源等国家亟需领域开展核心电子器件研究工作，以化合物半导体、碳基半导体等材料为载体，重点突破材料、工艺、器件与集成等关键技术，为我国自主关键核心元器件的代际突破提供解决方案。
合作单位简介
北京青禾晶元成立于2020年7月，聚焦于新型半导体材料与器件集成技术的研发与量产，公司的核心团队由教授级专家、海外高层次人才、知名教授及市场战略专家组成。作为国际领先的半导体异质集成技术企业，青禾晶元是全球少数掌握全套先进半导体材料与器件集成技术的公司之一，产品主要面向第三代半导体、三维堆叠、先进封装、功率模块集成等应用领域，现已完成SiC、LTOI、LNOI等键合衬底材料的规模化量产以及高端晶圆键合设备、Chiplet混合键合设备、功率模块烧结键合设备的开发。
