专题:缺陷与掺杂对物性的调控界面工程调控GaN基异质结界面热传导性能研究*王权杰#邓宇戈#王仁宗刘向军†(东华大学机械工程学院,微纳机电系统研究所,纤维材料改性国家重点实验室,上海201600)(2023年5月16日收到;2023年7月21日收到修改稿)GaN以其宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点在高频大功率电子器件领域有着巨大的应用前景.大功率GaN电子器件在工作时存在明显的自热效应,产生大量焦耳热,散热问题已成为制约其发展的瓶颈.而GaN与衬底间的界面热导是影响GaN电子器件热管理全链条上的关键环节.本文首先讨论各种GaN界面缺陷及其对界面热导的影响;然后介绍常见的界面热导研究方法,包括理论分析和实验测量;接着结合具体案例介绍近些年发展的GaN界面热导优化方法,包括常见的化学键结合界面类型及范德瓦耳斯键结合的弱耦合界面;最后总结全文,为GaN器件结构设计提供有价值参考.关键词：GaN,界面缺陷,界面热导,声子输运PACS：63.20.–e,44.20.+b,65.40.–b,61.72.–yDOI:10.7498/aps.72.202307911引言目前,通信、雷达、汽车电子、航空航天、核工业、军用电子等领域对高温、高频、大功率芯片和短波光电子器件有着迫切的需求.GaN作为第三代宽禁带半导体的典型代表,具有宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点,很好地满足了当前对于高频大功率电子器件的需求.然而,高频大功率的工作环境以及封装技术的限制使得大量的焦耳热积聚在GaN沟道内,即产生自热效应[1].据报道,最新的金刚石衬底GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的近节点热流密度可以达到太阳表面热流密度的10倍以上[2].节点温度升高将会直接影响器件的可靠性和运行速度,导致栅极电流崩塌、载流子迁移率下降等现象.GaNHEMT节点的热能通过衬底散出,大体需要经历三个热阻:GaN器件层本身的热阻、衬底的热阻、GaN和衬底之间的界面热阻.因此,提高GaN器件散热性能主要包括两个方案:一个是采用更高导热率的衬底材料;另外一个是减小GaN和衬底之间的界面热阻[3].随着晶体管尺寸越来越小,内部界面数量越来越多,界面热阻在GaN器件总热阻中的占比越来越大.例如,实验和理论研究发现,以SiC为衬底的GaNHEMT沟道温度可以达到115℃,其中近一半温升归因于GaN与衬底之间的界面热阻[4].因此,减小GaN与衬底之间的界面热阻对于解决GaN功率器件散热难问题至关重要.界面热阻又称Kapitzal阻值(R,与界面热导互为倒数),它是由界面两侧原子振动失配造成的,具体表现为界面处温度产生跳变,其阻值大小由界面温差ΔT与通过界面的热流密度...
