ACS AMI：通过衬底集成和器件封装协同设计实现具有极低器件热阻的氧化镓MOSFETs

原创：Xoitec 异质集成XOI技术

来源：上海微系统所，集成威廉希尔官方网站 材料实验室，异质集成XOI课题组

1工作简介

超宽禁带氧化镓是实现超高压、大功率、低损耗器件的核心电子材料，满足新能源汽车、光伏风电等功率模组应用需求。然而氧化镓热导率极低，限制了氧化镓高功率器件的发展。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称为上海微系统所）异质集成XOI课题组与哈尔滨工业大学孙华锐教授课题组通过“万能离子刀”剥离转移技术制备了高质量的碳化硅基氧化镓薄膜，并结合底部封装技术实现了具有极低器件热阻的氧化镓MOSFETs。相关研究成果以“Extremely Low Thermal Resistance of β‑Ga2O3 MOSFETs by Cointegrated Design of Substrate Engineering and Device Packaging”为题发表在Top期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。论文共同第一作者分别为上海微系统所的博士生瞿振宇、赵天成与哈尔滨工业大学的博士生谢银飞。论文通讯作者为上海微系统所的徐文慧助理研究员、欧欣研究员与哈尔滨工业大学的孙华锐教授。

2研究背景

氧化镓作为第四代超宽禁带半导体的代表，具有禁带宽度宽，巴利加优值高，大尺寸晶圆可批量制备等特点，在制备高性能功率器件方面潜力无限[1]。然而，氧化镓本身的热导率十分低，仅相当于4H-SiC的约1/10，这使得基于氧化镓的MOSFET在高功率下将产生严重的自热效应。通过与高导热衬底进行异质集成已被证实是解决氧化镓散热问题的有效手段[2]。在各种衬底集成方式中，离子束剥离技术不但可以大幅提升异质集成氧化镓材料的散热性能，还具有批量制备的潜力。然而，与碳化硅基氮化镓HEMT相比[3]，目前报道的碳化硅基氧化镓MOSFET的器件热阻仍然相对较高[4]。因此，有效的氧化镓MOSFET热管理策略仍然亟需开发。

上海微系统所异质集成XOI课题组与哈尔滨工业大学通过衬底集成与器件封装的协同设计，成功实现器件热阻低至4.45 K·mm/W的碳化硅基氧化镓MOSFET制备，并通过三维拉曼图谱与COMSOL仿真相结合实现对MOSFET器件内部温度的三维可视化，为氧化镓大功率器件热管理研究提供了有效的技术方案。

3研究亮点

通过离子束剥离技术与底部封装技术制备碳化硅基氧化镓晶圆的流程如图1（a）所示，先通过H离子注入使氧化镓中形成缺陷层，再将注入后的氧化镓晶圆与4H-SiC晶圆进行键合形成异质晶圆。在后续退火过程中氧化镓晶圆会沿着缺陷层断裂，从而得到异质集成的碳化硅基氧化镓薄膜。对该薄膜进行抛光后按照图1（b）的流程进行MOSFET的制备，所得器件标记为GaOSiC MOSFET。以同样的流程在商业的同质外延氧化镓片上进行MOSFET的制备，称为Homo. GaO MOSFET。在完成MOSFET的制备后，通过用银浆的烧结使裸片固定在Cu/AlN/Cu基板上，完成器件的底部封装，其流程与最终的器件结构如图1（c）所示。

图1 （a）异质集成GaOSiC晶圆的制备流程；(b) Homo. GaO MOSFET和GaOSiC MOSFET的制备流程；（c）银浆烧结过程与器件结构示意图。

图2（a）展示了通过离子束剥离制备得到的GaOSiC异质界面，通过对等离子激活程序进行优化，其界面非晶层密度得到很好的控制，仅为~1 nm。良好的界面使得界面处的热输运变得更加有效，图2（b）展示了利用TTR表征的GaOSiC与Homo. GaO晶片的热输运性质，提取得到GaOSiC晶片中氧化镓层热导率为6.5 ± 0.6 W/m·K，相比于Homo. GaO晶片中的11.6 ± 0.2 W/m·K略有下降，这主要是由异质集成氧化镓薄膜中声子与界面散射所致。由于界面处极薄的非晶层厚度，Ga2O3/4H-SiC界面热阻低至6.67 ± 2 m2·K/GW，是目前已报道的最低值。

图2 （a）Ga2O3/4HSiC界面的HRTEM图像；（b）GaOSiC与Homo. GaO晶片300 K时的归一化瞬态热反射曲线。

为了对氧化镓功率器件进行有效热管理，利用三维拉曼测试与COMSOL仿真相结合实现对GaO器件内部温度可视化分析。通过更改激光聚焦位置与深度测得器件中不同位置的拉曼图谱，并通过拉曼峰位置的偏移提取出该点的温度，并对COMSOL仿真结果进行校准可实现工作状态下器件中的3D温度分布。图3（a）和（b）分别展示了通过器件表面的横向温度分布与栅极靠漏极侧边缘的纵向温升分布，在相同功率下，Homo. GaO MOSFET中的温升显著高于GaOSiC MOSFET，并且热量集中在表面的栅极靠漏极侧边缘。图3（c）和（d）则展示了同为5.68 W/mm的功率密度下COMSOL仿真所得的Homo. GaO MOSFET和GaOSiC MOSFET的温升分布，可以明显看出相较于Homo. GaO MOSFET，GaOSiC MOSFET中的温度更低且分布更加均匀。

图3 Homo. GaO MOSFET和GaOSiC MOSFET的（a）横向（b）纵向温升分布；仿真得到的功率为5.68 W/mm下（c）Homo. GaO MOSFFET和（d）GaOSiC MOSFET的三维温升分布（交叉位置为拉曼测量位置）。

图4（a）中对比了封装前后的GaOSiC和Homo. GaO MOSFET的器件热阻，将底部的Ga2O3衬底更换为高导热的4H-SiC衬底后，其器件热阻降低了84%，在结合底部封装后，其热阻更进一步降低到了封装前Homo. GaO MOSFET的约1/10，仅为4.45 K mm/W。如图4（b）所示，该结果与金刚石基GaN HEMT相当，为目前氧化镓MOSFET的最低值，证实了衬底集成与器件封装的协同设计对于提升器件散热性能的有效性。

图4 （a）封装前后的Homo. GaO MOSFET和GaOSiC MOSFET热阻对比；（b） 本工作的氧化镓MOSFET与已报道的氧化镓MOSFET和氮化镓HEMT器件热阻对比。

4总结与展望

本工作中，我们通过衬底集成和器件封装的协同设计，成功地开发了一种用于氧化镓器件的热管理策略。通过工艺优化，实现了非晶层厚度仅为~1 nm的高质量GaOSiC异质界面，其界面热阻仅为6.67 ± 2 m2·K/GW。利用三维拉曼测试与COMSOL仿真相结合实现对实际工作条件下氧化镓器件内部温度的可视化分析，发现Homo. GaO MOSFET中的温度更高且集中，GaOSiC MOSFET的温度更低且更均匀。结果表明，底部封装的GaOSiC MOSFET的器件热阻可显著降低到未封装的Homo. GaO MOSFET的约10%。该工作为大功率和射频氧化镓器件的热管理提供创新的解决方案。

5原文传递

文章链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.4c08074

6参考文献

[1] Pearton, S. J.; Yang, J.; Cary, P. H.; Ren, F.; Kim, J.; Tadjer, M. J.; Mastro, M. A. A Review of Ga2O3 Materials, Processing, and Devices. Appl. Phys. Rev. 2018, 5, 011301.[2] Xu, W.; You, T.; Wang, Y.; Shen, Z.; Liu, K.; Zhang, L.; Sun, H.; Qian, R.; An, Z.; Mu, F.; Suga, T.; Han, G.; Ou, X.; Hao, Y.; Wang, X. Efficient Thermal Dissipation in Wafer-scale Heterogeneous Integration of Single-crystalline β-Ga2O3 Thin Film on SiC. Fundamental Res. 2021, 1, 691−696.[3] Pomeroy, J. W.; Bernardoni, M.; Dumka, D. C.; Fanning, D. M.; Kuball, M. Low Thermal Resistance GaN-on-diamond Transistors Characterized by Three-dimensional Raman Thermography Mapping. Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 083513.[4] Song, Y.; Bhattacharyya, A.; Karim, A.; Shoemaker, D.; Huang, H. L.; Roy, S.; McGray, C.; Leach, J. H.; Hwang, J.; Krishnamoorthy, S.; Choi, S. Ultra-wide Band Gap Ga2O3-on-SiC MOSFETs. ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 7137−7147.

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