低温溅射沉积高导热性亚微米氮化铝薄膜

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来源 | ACS Nano

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背景介绍


热的产生影响了几乎所有现代电子设备的性能和寿命。在高密度集成电路和电源或射频(RF)电子器件中尤其如此,在这些器件中,高温会降低晶体管的性能,增加漏电,最终缩短器件的使用寿命。温度高于最佳工作范围仅5°C就会使某些设备的使用寿命减半。


热管理可以通过主动调节热流和管理热瞬变来实现,例如使用新兴的热晶体管和二极管。无源方法包括使用薄膜来阻挡或将热量从电子设备的热点处带走。这样的散热器必须具有高导热性,但它们通常必须是电绝缘体,以防止组件之间的干扰,因此只有少数材料(如氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)和金刚石)才具有这些特性。


AlN由于其大带隙(约6.1 eV)和优异导热系数而引起了人们的广泛关注。事实上,AlN薄膜的热导率已被证明为数百和几微米厚,但这种薄膜通常在1200°C以上沉积。而且,集成电子学也将受益于更薄的微尺度AlN薄膜,其导热性尚未得到优化,其热极限也知之甚少。


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成果掠影

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近期,斯坦福大学Kenneth E. Goodson、Christopher Perez团队联合桑迪亚国家实验室Suhas Kumar针对开发低温沉积高导热性的氮化铝薄膜取得最新进展。氮化铝(AlN)是少数具有优异导热性的电绝缘材料之一,但高质量的薄膜通常需要极高的沉积温度(>1000°C)。对于密集或高功率集成电路中的热管理应用,重要的是在低温(<500°C)下沉积散热片才不会影响底层电子器件。本文展示了通过低温(<100°C)溅射获得的100 nm至1.7 μm厚的AlN薄膜,并通过x射线衍射,透射x射线显微镜以及拉曼和俄盖光谱分析了其热性能与晶粒尺寸和界面质量之间的关系。通过控制反应的沉积条件,该文实现了~ 600 nm薄膜的导热系数(~ 36−104 W/mK),其上限代表了室温下这种薄膜厚度的最高值之一,特别是在低于100°C的沉积温度下。研究成果以“High Thermal Conductivity of Submicrometer Aluminum Nitride Thin Films SputterDeposited at Low Temperature”为题发表于《ACS Nano》。




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图文导读

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图1. 实验概述。

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图2. 与文献结果相比,该文AlN薄膜的室温平面导热系数作为(a)沉积温度和(b)厚度的函数。

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图3. ~600 nm AlN薄膜的热导率、晶粒尺寸和气体成分之间的相关性。

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图4. 透射电子显微照片显示了不同条件下三种c-Al2O3溅射膜的微观形貌。

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图5. 不同条件下c-Al2O3沉积的三种关键膜在衬底界面处的结晶度进行了HRTEM和FFT分析。

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图6. 测定了沉积在Si(111)和c-Al2O3上的AlN薄膜的AlN/基底边界电导。

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图7. 导热系数与(a)本研究中样品的薄膜厚度和(b)沉积或合成温度的关系。

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