[論文レビュー] Interfacial reaction boosts thermal conductance of room-temperature integrated semiconductor interfaces stable up to 1100 C

Zhe Cheng, Xiaoyang Ji+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2024

Thermal properties of materialsMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド基板上に3C-SiC薄膜を室温で表面活性化接合する過程における界面反応が、1100 °Cでアニールした後、熱境界伝導率（TBC）を最大300%向上させ、記録的な150 MW/m²·Kに達することを示した。この向上は、界面でアモルファスシリコンがSiCに変換されることに起因し、ピコ秒超音波法および均一な大面積サーモレフレクタンスマッピングにより確認された。

ABSTRACT

Overheating has emerged as a primary challenge constraining the reliability and performance of next-generation high-performance electronics, such as chiplets and (ultra)wide bandgap electronics. Advanced heterogeneous integration not only constitutes a pivotal technique for fabricating these electronics but also offers potential solutions for thermal management. This study presents the integration of high thermal conductivity semiconductors, specifically, 3C-SiC thin films and diamond substrates, through a room-temperature surface-activated bonding technique. Notably, the thermal conductivity of the 3C-SiC films is among the highest for all semiconductor films which can be integrated near room temperature with similar thicknesses. Furthermore, following annealing, the interfaces between 3C-SiC and diamond demonstrate a remarkable enhancement in thermal boundary conductance (TBC), reaching up to approximately 300%, surpassing all other grown and bonded heterointerfaces. This enhancement is attributed to interfacial reactions, specifically the transformation of amorphous silicon into SiC upon interaction with diamond, which is further corroborated by picosecond ultrasonics measurements. Subsequent to annealing at 1100 C, the achieved TBC (150 MW/m2-K) is record-high among all bonded diamond interfaces. Additionally, the visualization of large-area TBC, facilitated by femtosecond laser-based time-domain thermoreflectance measurements, shows the uniformity of the interfaces which are capable of withstanding temperatures as high as 1100 C. Our research marks a significant advancement in the realm of thermally conductive heterogeneous integration, which is promising for enhanced cooling of next-generation electronics.

研究の動機と目的

• チップレットや（超）ワイドバンドギャップデバイスを含む次世代高出力・高周波数エレクトロニクスにおける熱管理課題に対処すること。
• 処理によるダメージを最小限に抑えた半導体間の界面で高い熱伝導率を実現する異種統合手法の開発。
• 1100 °Cまでの極限的高温環境に耐えうる安定的で高性能な熱界面の実現。
• 界面反応を理解し、それを活用して室温接合半導体系における熱境界伝導率を向上させること。

提案手法

• 高溫処理を伴わずに、室温での表面活性化接合を用いて、ダイヤモンド基板上に3C-SiC薄膜を統合した。
• 接合後のアニールを1100 °Cで実施し、アモルファスシリコンとダイヤモンドの界面反応を誘発し、追加のSiCを形成した。
• ピコ秒超音波法を用いて、界面反応の直接的プローブと熱輸送への影響を確認した。
• フェムト秒レーザーを用いた時間領域サーモレフレクタンス法を適用し、高空間分解能で大面積界面における熱境界伝導率をマッピングした。
• 熱境界伝導率（TBC）を定量的に測定し、界面熱輸送特性の評価を実施した。
• X線回折およびラマン分光法を用いて、アニール後の界面における構造的・化学的変化を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温接合過程における界面反応が、半導体ヘテロ構造の熱境界伝導率を顕著に向上させ得るか？
• RQ2 高溫アニール後、接合された3C-SiC／ダイヤモンド界面で達成可能な最大熱境界伝導率は何か？
• RQ3 界面にSiCが形成されることで、このような系の熱輸送特性にどのように影響を与えるか？
• RQ4 1100 °Cまでの極限的高温条件下でも、熱界面の安定性と均一性はどの程度確保されるか？
• RQ5 大面積かつ空間的に分解能の高い熱伝導率マッピングは、界面接合の均一性と強靭性を確認できるか？

主な発見

• 1100 °Cでアニールした後、3C-SiC／ダイヤモンド界面の熱境界伝導率（TBC）が最大300%向上し、150 MW/m²·Kに達した。
• TBCの向上は、ピコ秒超音波法により確認されたように、アモルファスシリコンが界面でSiCに変換される反応に起因する。
• 1100 °Cでのアニール後も界面は安定しており、機能を維持しており、顕著な熱的強靭性を示した。
• フェムト秒レーザーを用いた時間領域サーモレフレクタンス法により、大面積で均一な熱伝導率が確認され、高品質で欠陥のない界面接合であることが示された。
• 150 MW/m²·KというTBC値は、これまで報告された中で最高の値であり、いかなる接合ダイヤモンドベースの界面に対しても記録的である。
• 3C-SiC薄膜は、同程度の厚さを持つ近似室温統合半導体膜の中で、報告された中で最も高い熱伝導率を示した。