Ed Interesse Ga N Térmica Fig1

Pesquisadores avaliam condutividade térmica e densidade de defeitos de quatro variedades GaN

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Os semicondutores baseados em substratos de nitreto de gálio (GaN) são cada vez mais importantes no cenário dos dispositivos de potência. Sua condutividade térmica e, portanto, sua capacidade de conduzir e dissipar calor, também é um parâmetro crítico.

Uma equipe de duas pessoas, baseada no Laboratório de Micro e Nanotecnologia Nick Holonyak, Jr. da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, mediu a condutividade térmica de quatro implementações de substrato GaN comumente usadas, juntamente com outros atributos definidores. Eles observaram que É relatado que a condutividade térmica de GaN varia de 110 a 269 W / m-K, o que sugere uma forte dependência não apenas dos métodos e condições de crescimento, mas também de técnicas e premissas de medição.

Eles observaram que os modelos térmicos padrão, bem como sua relação com as densidades de deslocamento, podem não ser adequados, dadas as diferentes abordagens (observe que esses deslocamentos afetar adversamente o desempenho do dispositivo GaN) Eles antecipam que seu novo modelo, presumivelmente mais preciso, da relação entre a abordagem de fabricação e os fatores associados densidades de deslocamento levará a processos GaN, térmicos e outros modelos aprimorados.

Para fazer isso, os pesquisadores fabricaram e testaram quatro técnicas padrão usadas para fabricar c-substratos planos de GaNe mediram a condutividade térmica resultante (κGaN) fatores da seguinte maneira:

  • GaN independente de 350 μm de espessura, cultivada por epitaxia na fase de vapor de hidreto (HVPE): 204,7 (± 4,6) W / m-K
  • GaN independente de 350 μm de espessura, cultivada por alta pressão de nitreto (HNP): 206,6 (± 6,8) W / m-K
  • GaN de 4,5 μm de espessura, cultivado no substrato de safira por deposição de fase de vapor químico metal-orgânico (MOCVD): 191,5 (± 10,5) W / m-K;
  • GaN de 5 μm de espessura, cultivado no substrato Si (111) por MOCVD com Al gradualmente graduadoxGa1-xCamadas de buffer N e AlN entre: 164,4 (± 3,2) W / m-K

Para avaliar a condutividade térmica, eles empregaram ti padrãome-domain thermoreflectância (TDTR) técnicas com uma fonte de luz laser gerando pulsos a uma taxa de repetição de 80 MHz. Esses pulsos foram divididos em um feixe de bomba e um feixe de sonda, com o feixe de bomba modulado por um modulador eletro-óptico usando um helicóptero de 200 Hz. Um detector de fotodíodo de resposta rápida acoplado a um amplificador de bloqueio de RFfifoi então usado para pegar aflsinal laser afetado. Os gráficos resultantes também mostram o atraso de tempo (em segundos) usado para permitir que a energia térmica se propague através da amostra (Figura 1).

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Ed Interesse Ga N Térmica Fig1

1. Resultados da medição TDTR e valores ajustados da condutividade térmica κGaN de (a) HVPE GaN, (b) HNP GaN, (c) GaN / safira e (d) GaN / Si. Símbolos abertos indicam dados de medição, linhas sólidas indicam cálculo do modelo de transporte térmico (com os parâmetros de ajuste listados) e linhas tracejadas indicam cálculo do modelo de transporte térmico com κGaN ± 10%. (Fonte: Universidade de Illinois)

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Seus esforços não terminaram com a medição da condutividade térmica. Além disso, eles usaram técnicas sofisticadas de catodoluminescência (CL) e difração de raios-X para avaliar as densidades de deslocamento de cristal (σD) juntamente com a espectroscopia de massa de íons secundários para medir a concentração de impurezas. Finalmente, eles desenvolveram um modelo empírico complexo que equaciona a relação entre condutividade térmica e essas densidades de deslocamento, e acreditam que isso explica a taxa de diminuição observada experimentalmente em kGaN com σ crescenteD (Figura 2).

Ed Interesse Ga N Térmica Fig2

2. Condutividade térmica κGaN de HVPE GaN, HNP GaN, GaN / safira e GaN / Si são plotados (símbolos abertos) como uma função da densidade de deslocamento σD. São mostrados juntos para comparação o modelo empírico de Mion (referência 31 no artigo publicado) com κGaN = 230 tanh0,12 (5 × 106/ σD) (linha pontilhada); novo modelo empírico com κGaN = 210 tanh0,12 (5 × 108/ σD) (linha tracejada, este trabalho); e modifimodelo de Klemens (linha sólida, este trabalho). (Fonte: Universidade de Illinois)

A equipe acredita ainda que seu trabalho mostra que a condutividade térmica de um material GaN cultivado heteroepitaxialmente pode ser estimada com base em suas densidades de deslocamento, fornecendo assim diretrizes-chave para o gerenciamento térmico desses dispositivos semicondutores. O estudo da física de fabricação de dispositivos, apoiado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR), é publicado como “Impacto das deslocações na condutividade térmica do nitreto de gálio estudada pela termorreflexão no domínio do tempo” no Jornal de Física Aplicada do Instituto Americano de Física, com material on-line suplementar adicional.

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