Matériau semi-conducteur GaN-sur-diamant stable jusqu’à 1 000 C

Matériau semi-conducteur GaN-sur-diamant qui peut supporter la chaleur - 1 000 ℃ pour être exact

Une couche de GaN épitaxiée sur un substrat de Si est liée avec succès à une plaque de diamant de 10 mm sur 10 mm sans utiliser de couches intermédiaires. La photo, prise du côté du diamant transparent, montre que toute la couche de GaN est liée avec succès au diamant. Crédit : Université de la ville d’Osaka

Le besoin d’appareils électroniques plus puissants dans la société d’aujourd’hui est limité par notre capacité à produire des semi-conducteurs hautement conducteurs capables de résister aux processus de fabrication difficiles et à haute température des appareils à haute puissance.

Le nitrure de gallium (GaN)-sur-diamant est prometteur en tant que matériau semi-conducteur de nouvelle génération en raison de la large bande interdite des deux matériaux, permettant une conductivité élevée, et de la conductivité thermique élevée du diamant, le positionnant comme un substrat supérieur de propagation de la chaleur. Il y a eu des tentatives pour créer une structure GaN-sur-diamant en combinant les deux composants avec une certaine forme de couche de transition ou d’adhérence, mais dans les deux cas, la couche supplémentaire a considérablement interféré avec la conductivité thermique du diamant, détruisant un avantage clé du GaN-diamant. combinaison.

« Il existe donc un besoin pour une technologie capable d’intégrer directement le diamant et le GaN », déclare Jianbo Liang, professeur agrégé de la Graduate School of Engineering, Osaka City University (OCU), et premier auteur de l’étude, « Cependant, en raison de de grandes différences dans leurs structures cristallines et leurs constantes de réseau, la croissance directe du diamant sur GaN et vice versa est impossible. »

La fusion des deux éléments sans aucune couche intermédiaire, connue sous le nom de collage direct sur plaquettes, est un moyen de contourner ce décalage. Cependant, pour créer une force de liaison suffisamment élevée de nombreuses méthodes de liaison directe, la structure doit être chauffée à des degrés extrêmement élevés (généralement 500 degrés Celsius) dans ce qu’on appelle un processus de post-recuit. Cela provoque généralement des fissures dans un échantillon collé de matériaux dissemblables en raison d’un décalage de dilatation thermique, ce qui annule cette fois toute chance que la structure GaN-diamant survive aux températures extrêmement élevées que subissent les dispositifs haute puissance pendant la fabrication.

« Dans des travaux antérieurs, nous avons utilisé la liaison activée par la surface (SAB) pour fabriquer avec succès diverses interfaces avec du diamant à température ambiante, toutes présentant une stabilité thermique élevée et une excellente fonctionnalité », explique le professeur Naoteru Shigekawa, responsable de la recherche.

Comme indiqué cette semaine dans le journal Matériaux avancés, Liang, Shigekawa et leurs collègues de l’Université de Tohoku, de l’Université de Saga et d’Adamant Namiki Precision Jewel. Co., Ltd, utilise la méthode SAB pour lier avec succès le GaN et le diamant, et démontre que la liaison est stable même lorsqu’elle est chauffée à 1 000 degrés Celsius.

Le SAB crée des liaisons très fortes entre différents matériaux à température ambiante en nettoyant et en activant de manière atomique les surfaces de liaison pour qu’elles réagissent lorsqu’elles sont mises en contact les unes avec les autres.

Comme les propriétés chimiques du GaN sont complètement différentes des matériaux que l’équipe de recherche a utilisés dans le passé, après avoir utilisé SAB pour créer le matériau GaN-sur-diamant, ils ont utilisé diverses techniques pour tester la stabilité du site de liaison – ou hétérointerface . Pour caractériser la contrainte résiduelle dans le GaN de l’hétérointerface, ils ont utilisé la spectroscopie micro-Raman, la microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie pour mettre en lumière la nanostructure et le comportement atomique de l’hétérointerface, la spectroscopie de perte d’énergie électronique. (EELS) a montré les états de liaison chimique des atomes de carbone à l’hétérointerface, et la stabilité thermique de l’hétérointerface a été testée à 700 degrés Celsius dans N2 la pression ambiante du gaz, « qui est requise pour les processus de fabrication de dispositifs d’alimentation à base de GaN », explique Liang.

Les résultats ont montré qu’à l’hétérointerface s’est formée une couche intermédiaire d’environ 5,3 nm qui était un mélange de carbone amorphe et de diamant dans lequel des atomes de Ga et N étaient distribués. Au fur et à mesure que l’équipe augmentait les températures de recuit, elle a remarqué une diminution de l’épaisseur de la couche, « en raison d’une conversion directe du carbone amorphe en diamant », comme le dit Shigekawa. Après un recuit à 1 000 degrés Celsius, la couche a diminué à 1,5 nm, « ce qui suggère que la couche intermédiaire peut être complètement éliminée en optimisant le processus de recuit », poursuit le professeur. Bien que les chiffres pour la résistance à la compression de l’hétérointerface s’améliorent à mesure que les températures de recuit augmentent, ils ne correspondent pas à ceux des structures GaN-sur-diamant formées par croissance cristalline.

Cependant, « comme aucun pelage n’a été observé à l’hétérointerface après recuit à 1000 degrés Celsius », déclare Liang, « ces résultats indiquent que l’hétérointerface GaN/diamant peut résister à des processus de fabrication difficiles, l’augmentation de température dans les transistors au nitrure de gallium étant supprimée d’un facteur de quatre. »


L’interface collée à température ambiante améliore le refroidissement des dispositifs au nitrure de gallium


Plus d’information:
Jianbo Liang et al, Fabrication d’une hétérointerface GaN/diamant et d’un état de liaison chimique interfaciale pour une conception de dispositif hautement efficace, Matériaux avancés (2021). DOI : 10.1002/adma.202104564

Fourni par l’Université de la ville d’Osaka

Citation: matériau semi-conducteur GaN-sur-diamant stable à 1 000 C (2021, 9 septembre) récupéré le 9 septembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-09-gan-on-diamond-semiconductor-material-stable .html

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