亚微米异质外延β-Ga?O?薄膜在SiC上的声子热传输与冷却极限

《Acta Materialia》：Phonon Thermal Transport and Cooling Limits in Submicron Heteroepitaxial β-Ga 2O 3 Films on SiC

该研究通过频率域热反射法系统分析了0.1-1 μm厚β-Ga2O3薄膜在SiC和蓝宝石衬底上的热导率与热边界导率，发现异质界面TBC达90 MW/m2K，结合半导体声子输运理论，验证了异质集成SiC对β-Ga2O3功率器件热管理的提升效果，其性能接近甚至超越现有GaN器件。

　　

金泰妍（Taeyeon Kim）|金亨允（Hyeongyun Kim）|文弘柱（Hongju Mun）|朴智贤（Jihyeon Park）|白钟元（Jongwon Baek）|杰敏圭（Minkyu Je）|金智贤（Jihyun Kim）|全大宇（Dae-Woo Jeon）|赵正焕（Jungwan Cho）

韩国庆尚北道水原市Seobu-ro 2066号，成均馆大学机械工程学院

摘要

将β-氧化镓（β-Ga₂O₃）与高导热性基板（如SiC）进行异质集成，为改善超宽带隙β-Ga₂O₃功率器件的热管理提供了有前景的途径。本文系统研究了SiC上亚微米级β-Ga₂O₃薄膜的声子热传输和冷却极限。通过频域热反射测量法，研究了采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在4H-SiC和c面蓝宝石基底上生长的0.1–1 μm厚β-Ga₂O₃薄膜的热导率和热边界传导率（TBC）。研究结果表明，热导率取决于薄膜厚度和结晶度，其中0.1 μm厚的薄膜显示出迄今为止报道的β-Ga₂O₃薄膜中最高的导热率值。β-Ga₂O₃/SiC界面的热边界传导率约为90 MW m^–2 K^–1，高于之前报道的β-Ga₂O₃/SiC和β-Ga₂O₃/金刚石界面的值。扫描透射电子显微镜和元素分析确认该异质界面在结构和成分上具有明显差异。半经典声子传输理论预测，这种异质集成可以显著提升β-Ga₂O₃器件的声子冷却性能，尤其是在β-Ga₂O₃厚度降低到约0.1 μm时，其热性能可达到或超过当前最先进的宽带隙GaN器件。

引言

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种新兴的超宽带隙（UWBG）半导体，其带隙能量约为4.8 eV，对应的临界电场强度约为8 MV cm^–1，远高于GaN和4H-SiC等常见宽带隙（WBG）材料[1,2]。这使得器件可以实现更紧凑的架构（即更短的栅极和沟道长度），从而推动下一代功率和射频（RF）器件的发展，这些器件在尺寸、重量、功耗（SWaP）和效率方面将大幅超越现有WBG器件[3]。通过比较β-Ga₂O₃与GaN和4H-SiC的优值（分别高约4倍和10倍）[2]，可以明显看出其在功率开关应用中的优势。同样，在射频应用中，β-Ga₂O₃的优值也高于GaN（约3倍）[2]。然而，由于β-Ga₂O₃出色的优值，其在高功率下的运行和更小的尺寸会导致器件通道区域内的局部热流密度高达数MW cm^–2[4,5]。此外，块状β-Ga₂O₃在室温下的热导率（11–27 W m^–1 K^–1，具体取决于晶体取向[6]）至少比块状GaN和4H-SiC（分别为约230 W m^–1 K^–1和约350 W m^–1 K^–1）低一个数量级[7],[8],[9]。因此，β-Ga₂O₃器件的自热效应将显著加剧，导致其通道温度远高于WBG器件[5,10,11]。例如，一项有限元模拟研究表明，在10 W mm^–1的功率密度下，基于本征β-Ga₂O₃基底制造的β-Ga₂O₃场效应晶体管（FET）的通道温度可升至约1500°C，相应的器件热阻约为150 mm K W^–1[10]。另一项针对六指形β-Ga₂O₃ FET的有限元模拟显示，在5.5 W mm^–1的功率密度下，其热阻约为216 mm K W^{–1₂O₃电子产品的商业化至关重要。}

为应对这些热管理挑战，一种有前景的方法是将β-Ga₂O₃器件与高导热性基板（尤其是SiC和金刚石）进行异质集成，作为底部的被动冷却方案[4,5,10,14]。实际上，在过去十年中，WBG GaN领域已经广泛研究了在活性器件区域附近集成高导热性基板的技术[7,8,[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21]]。利用这些为GaN器件所做的努力，最近有几项尝试将β-Ga₂O₃薄膜异质集成到SiC和金刚石上，以提升β-Ga₂O₃器件的散热能力[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29],[30],[31],[32],[33]。其中一种方法是将β-Ga₂O₃直接键合到高导热性基底上[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28]。据报道，采用这种方法制造的4H-SiC上的β-Ga₂O₃ FET在相同功耗水平下的通道温度升高幅度（最高可达2.4倍）低于同类型同质外延β-Ga₂O₃ FET[22]。然而，这种方法的主要挑战在于β-Ga₂O₃与冷却基板之间的高热边界电阻（TBR）可能限制散热效果，这主要是由于键合不牢固或存在低导热性的粘合层[23],[24],[25],[26]。此外，键合后的β-Ga₂O₃晶圆需要通过离子切割和/或抛光技术制备成薄膜形式，以便后续器件制造，这使得精确控制β-Ga₂O₃层厚度变得极为困难[24],[25],[26]。

通过直接在非本征高导热性基底上沉积β-Ga₂O₃薄膜，可以克服与晶圆键合相关的问题[29],[30],[31],[32],[33]。直接异质外延β-Ga₂O₃到冷却基底上可能产生具有较低界面TBR的优质β-Ga₂O₃层[29,30]。此外，外延生长方法还能精确控制层厚度，特别是在制造厚度小于几微米的异质β-Ga₂O₃器件时具有优势[14,29,31]。然而，由于β-Ga₂O₃与非本征基底材料之间的晶格失配，生长高质量β-Ga₂O₃薄膜仍面临挑战[29,32]。例如，β-Ga₂O₃（01）平面与（0001）α-Al₂O₃、（0001）4H-SiC和（111）金刚石的晶格失配分别为约9.6%、1.1%和17.0%。在这方面，β-Ga₂O₃在SiC上的外延生长优于在金刚石上的生长，因为SiC与β-Ga₂O₃的晶格失配较小，从而可能减少位错密度并提升器件性能。尽管有这些预期优势，但目前关于SiC上β-Ga₂O₃异质外延生长和器件的实验研究仍然很少[29,31,34]。此外，关于SiC上异质外延生长的β-Ga₂O₃的热传输和性能的实验报道也非常有限。

为此，本研究采用系统方法探讨了SiC上亚微米级β-Ga₂O₃薄膜的声子热传输和冷却极限。通过频域热反射测量法（FDTR），研究了采用MOCVD技术在4H-SiC和c面蓝宝石基底上生长的0.1–1 μm厚β-Ga₂O₃薄膜的热导率和热边界传导率（TBC）。通过有限元器件热建模，评估了基于这些材料堆叠结构的假设多指形β-Ga₂O₃晶体管的冷却性能，并与现有文献数据进行了比较。利用半经典声子传输模型预测的声子热性能改进，并将这些预测纳入器件热建模中，评估了SiC上亚微米级β-Ga₂O₃器件的理论冷却极限。预计这些器件在β-Ga₂O₃厚度降至约0.1 μm时，可实现高达10.8 W mm^–1的功率密度，最大允许器件温度为200°C，相应的器件热阻为16.5 mm K W^{–1₂O₃晶体管的声子冷却基本极限，接近甚至超过了当前最先进的WBG GaN器件的性能。}

样本制备

样品制备

使用Agnitron Agilis 100 MOCVD设备，在800°C条件下直接在4H-SiC和c面蓝宝石基底上生长了0.1、0.4和1 μm厚的β-Ga₂O₃薄膜。生长温度通过感应加热控制，并使用测温仪进行监测。作为镓前驱体使用了三乙基镓（Ga(C₂H₅)₃（TEGa），作为氧前驱体使用了O₂气体（纯度99.999%），作为载气使用了Ar气体（纯度99.999%）。这些MOCVD生长条件之前已在c面蓝宝石上进行了优化。

结果与讨论

图2(a)和2(b)分别展示了在4H-SiC和c面蓝宝石基底上生长的β-Ga₂O₃薄膜的代表性XRD扫描结果，显示出薄膜的垂直外延关系。在18.90°、38.40°和59.08°处观察到三个衍射峰，分别对应于β-Ga₂O₃的（