أخبار التكنولوجيا

استكشاف تأثير منشطات السيليكون على الموصلية الحرارية السائبة لـ GaN



تتمتع مادة نيتريد الغاليوم (GaN) شبه الموصلة واسعة النطاق بخصائص كهربائية وبصرية رائعة، مما يجعلها مفيدة في مجموعة متنوعة من الأجهزة الإلكترونية والإلكترونية الضوئية. ومع ذلك، عند مقارنتها بأشباه الموصلات الأخرى، فإن موصليتها الحرارية الجوهرية تكون أقل بشكل ملحوظ. يمكن أن تتأثر الموصلية الحرارية لنتريد الغاليوم (GaN) بشكل كبير بإدخال منشطات السيليكون. بناءً على ورقة بحثية نشرها المعهد الأمريكي للفيزياء عام 20171 (API)، ستصف هذه المقالة تأثيرات تعاطي المنشطات السيليكون على التوصيل الحراري للجالون السائب عند درجات حرارة مرتفعة مما يثبت العلاج النظري بالأدلة التجريبية.

الهدف من البحث

في دراسة سابقة، لاحظ الباحثون وجود علاقة سلبية بين التوصيل الحراري لكمية كبيرة من GaN عند درجة الحرارة المحيطة وما فوق، كما هو محدد باستخدام تقنية 3ω، ومستوى تعاطي المنشطات Si. علاوة على ذلك، لاحظ الباحثون انخفاضًا تدريجيًا في ميل اعتماد التوصيل الحراري على درجة الحرارة مع زيادة تعاطي المنشطات Si. وقد لوحظ أن التوصيل الحراري لأعلى عينة مشوبة تجاوزت العينات السفلية المشوبة عند درجات حرارة تزيد عن 350 كلفن.

في العمل القادم1، تم تطوير نموذج Callaway المعدل، المعتمد لـ GaN من النوع n في درجات حرارة عالية، لشرح هذا السلوك.

دور التوصيل الحراري

أثبتت نيتريدات المجموعة الثالثة، بما في ذلك الترانزستورات عالية الحركة للإلكترون (HEMTs)، وثنائيات حاجز شوتكي (SBDs)، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs)، وثنائيات الليزر (LDs)، إمكاناتها كمكونات أساسية في أنظمة إلكترونيات الطاقة و تكنولوجيا الإضاءة الحالة الصلبة في السنوات الأخيرة. تعد فعالية إزالة الحرارة من القسم النشط بالجهاز أمرًا بالغ الأهمية لأداء وموثوقية هذه الأجهزة، خاصة عند التشغيل في درجات حرارة عالية وطاقة مخرجة.

كانت الموصلية الحرارية لمواد نيتريد المجموعة الثالثة موضوع بحث مكثف في الدراسات السابقة. ومع ذلك، فإن البيانات التجريبية المنشورة في هذه الدراسات تظهر تباينًا كبيرًا. يمكن أن يعزى هذا الاختلاف إلى التباين في جودة العينات التي تم تحليلها والصعوبات المحددة التي تمت مواجهتها في تقنيات القياس المستخدمة.

هناك حاجة إلى ركائز GaN المختلفة لتطبيقات الأجهزة المختلفة، بما في ذلك الركائز غير المنشورة أو المنشطات من النوع n أو شبه العازلة. لذلك، لإدارة الظروف الحرارية بشكل فعال، من الضروري أن تمتلك فهمًا دقيقًا لتأثير المنشطات على التوصيل الحراري لـ GaN. يعد التحقيق الشامل في دور منشطات Si في GaN أمرًا بالغ الأهمية، حيث يعمل Si بمثابة المنشطات الأساسية لتحقيق الموصلية من النوع n.

عملية القياس

تم الحصول على العينات التي تم فحصها عن طريق قطع GaN السائب المنتج باستخدام تقنيات الكهروضوئية عالية الجهد (HVPE) على طول [0001] الاتجاه البلوري GaN على ركائز الياقوت. عادةً ما يبلغ سمك طبقات GaN حوالي 1 مم. العينات المستخدمة في دراسات التوصيل الحراري لها أقطار جانبية تتراوح بين 5 × 5 مم2 إلى 10 × 10 ملم2. تم حقن Silane (SiH4) في المفاعل بتدفق حامل النيتروجين (N2) لإنجاز منشطات السيليكون.

تم تحديد الموصلية الحرارية باستخدام طريقة 3ω، والتي تتضمن ترسيب الطباعة الحجرية الضوئية لسلك معدني رفيع يحتوي على أربع وسادات تلامس على سطح العينة، باتباع تصميم موحد. يعمل السلك كجهاز تسخين وآلية استشعار. تم تركيب العينات على لوحة يمكن التحكم في درجة حرارتها لإجراء قياسات ضمن نطاق درجة حرارة 295-470 كلفن. ولضمان دقة قياسات درجة الحرارة، تم تثبيت مزدوجة حرارية إضافية على الجزء العلوي من اللوحة، بالقرب من العينة.

تتضمن تقنية 3ω تطبيق تيار متردد بتردد زاوي قدره ω على طول سلك، متبوعًا بقياس انخفاض الجهد عند 3ω كدالة لـ ω. يخضع السلك لتسخين جول، مما يولد تدفقًا حراريًا بتردد تذبذب طاقة قدره 2ω. ثم يتم تبديد تدفق الحرارة هذا في العينة الموجودة تحتها. تتأثر مقاومة السلك المعدني بموجات الحرارة المنبعثة من العينة، والتي تعزى إلى معامل درجة الحرارة غير الصفر للمقاومة. وبالتالي، فإن انخفاض الجهد عبر السلك يُظهر وجود مكون توافقي ثالث. التعبير عن سعة المكون V3ω هو كما يلي:

حيث αT هو معامل درجة الحرارة للمقاومة، ΔT هو تذبذبات درجة الحرارة، وV هي سعة انخفاض الجهد عند التردد الأساسي ω. يمكن تقريب التغير في درجة حرارة الطاقة الطبيعية عن طريق:

في هذا السياق، تمثل P الطاقة المبذولة على السلك، وl يشير إلى طول السلك، وk يدل على التوصيل الحراري، ويمثل C ثابتًا لا يتأثر بكل من التردد وطول السلك. يمكن تحديد الموصلية الحرارية من خلال تحليل ميل التبعية V3ω مقابل ln(ω)، حيث أن ΔT/P يتناسب طرديًا مع V3ω. تجدر الإشارة إلى أن خطية الاعتماد الملحوظ عبر نطاق التردد بأكمله (50-4000 هرتز) عند درجات حرارة مختلفة، كما هو موضح في الشكل 1، بمثابة دليل تجريبي على استيفاء الشروط الحدودية في التجارب.

الشكل 1: تم قياس جهد الانخفاض V3ω (ممثلًا بالرموز) كدالة للتردد وتم الحصول على توافق خطي في مخطط شبه لوغاريتمي (ممثل بخطوط صلبة) عند أربع درجات حرارة مختلفة لـ GaN غير المنشور (المصدر: 1).
الشكل 1: تم قياس جهد الانخفاض V3ω (ممثلًا بالرموز) كدالة للتردد وتم الحصول على توافق خطي في مخطط شبه لوغاريتمي (ممثلًا بخطوط صلبة) عند أربع درجات حرارة مختلفة لـ GaN غير المنشور (المصدر: 1)

نتائج تجريبية

يؤدي إدخال ذرات الشوائب في الشبكة البلورية لـ GaN من خلال تطعيم السيليكون إلى تعديل هيكل الشبكة. يؤدي وجود هذه الشوائب إلى اضطراب التكوين الطبيعي للذرات، مما يؤدي إلى تغييرات في علاقات تشتت الفونونات وتشتت الفونونات. يؤدي وجود الشوائب إلى تشتت الفونونات مما يؤدي إلى انخفاض متوسط ​​المسار الحر للفونونات وبالتالي تقليل التوصيل الحراري.

تم إجراء قياس جميع عينات GaN في ظل ظروف مماثلة. تتمتع العينة غير المنشورة بموصلية حرارية تبلغ k = 245±5 W/m·K عند درجة الحرارة المحيطة (T = 295 K). تتوافق هذه القيمة مع إحصائيات GaN المزروعة في HVPE القائمة بذاتها. ومع زيادة تركيز Si، انخفضت الموصلية الحرارية بشكل مطرد. كانت العينة ذات أعلى نسبة منشطات ذات موصلية حرارية تبلغ k = 210±6 W/m·K.

يمكن اعتبار السلوك المرصود عقلانيًا ويمكن توضيحه بسهولة من خلال زيادة مشاركة تشتت عيوب النقطة الصوتية. أظهرت الموصلية الحرارية لجميع العينات انخفاضًا مع زيادة درجة الحرارة عند درجات حرارة مرتفعة (T > 295 K)، كما هو موضح في الشكل 2. ومع ذلك، كان هناك تباين في معدل الانخفاض، أي ميل الاعتماد على درجة الحرارة k، عبر تركيزات مختلفة من Si.

الشكل 2: التوصيل الحراري لـ GaN غير المخدر والمخدر بـ Si-doped.  تمثل الخطوط الصلبة أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية (المصدر: 1).
الشكل 2: التوصيل الحراري لـ GaN غير المخدر والمخدر بـ Si-doped. تمثل الخطوط الصلبة أفضل ملاءمة للبيانات التجريبية (المصدر: 1)

تم تصميم نموذج الاعتماد على درجة الحرارة للتوصيل الحراري باستخدام نموذج Callaway المعدل. ومع ذلك، بدلاً من استخدام معاملات معدل الانتثار المتعددة، تم استخدام العوامل المتغيرة للفونونات الطولية والعرضية، والمعروفة باسم معلمات Grüneisen.

يوضح الشكل 3 العلاقة بين التوصيل الحراري وتعاطي المنشطات Si عند درجات حرارة مختلفة. يعد دمج FE (الإلكترون الخالي من الفونون) في النموذج أمرًا بالغ الأهمية لتوضيح شامل للبيانات التجريبية ضمن نطاق درجة الحرارة الذي يتراوح بين 300 و350 كلفن. ومع ذلك، بعد درجة حرارة 350 كلفن، يبدو أن تأثير تشتت FE يتضاءل، كما يتضح من قرب المنحنيين المحاكيين.

الشكل 3: العلاقة بين التوصيل الحراري للجزء الأكبر من GaN وتركيز Si في درجات حرارة مختلفة.  تتضمن البيانات المعروضة النتائج التجريبية (ممثلة بالرموز) والتبعيات النظرية المشتقة باستخدام الخطوط الصلبة وبدون (ممثلة بخطوط متقطعة)، والتي تتضمن تشتت FE (المصدر: 1).
الشكل 3: العلاقة بين التوصيل الحراري للجزء الأكبر من GaN وتركيز Si في درجات حرارة مختلفة. تتضمن البيانات المعروضة النتائج التجريبية (ممثلة بالرموز) والتبعيات النظرية المشتقة باستخدام الخطوط الصلبة وبدون (ممثلة بخطوط متقطعة)، والتي تتضمن تشتت FE (المصدر: 1)

عند درجات الحرارة المرتفعة، من المتوقع أن تظل الموصلية الحرارية غير متأثرة بتركيز السيليكون حتى [Si] ~ 1·1018 سم-3. ومع ذلك، في درجة حرارة الغرفة، تعتمد الموصلية الحرارية فقط على تركيز السيليكون حتى [Si] ~ 5·1016 سم-3. النمط المرصود للتوصيل الحراري في درجة حرارة الغرفة، كما هو موضح في الشكل 3، يتماشى مع البيانات الموثقة مسبقًا لطبقات GaN الرقيقة التي تحتوي على Si-doped الموجودة على الياقوت. ومع ذلك، أظهرت القيم المرصودة في هذه الدراسة زيادة ملحوظة، تعزى في الغالب إلى كثافة العيوب الهيكلية الفائقة للجالون السائب مقارنة بطبقات الجاليوم الرقيقة غير المتجانسة.

يمكن الحصول على مزيد من الفهم لظواهر التشتت الأولية التي تحدث عند درجات حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة من خلال استخدام نموذج قانون الطاقة المباشر لتحليل التوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة. يمكن أن يمثل التعبير الرياضي التالي هذا النموذج:

الموصلية الحرارية في درجة حرارة الغرفة، ويشار إليها ب ك0، يساوي To = 295 K. إن استخدام هذا التوافق التجريبي يحمل قيمة محتملة في مجالات الإدارة الحرارية وتصميم الجهاز لأنه يتيح التنبؤ بخصائص التوصيل الحراري عبر درجات حرارة مختلفة ومستويات المنشطات.

ويوضح الشكل 4 مثالاً لمثل هذا التطابق لجميع العينات المقاسة. يوضح الشكل 5 العلاقة بين المنحدر، المشار إليه بـ α، وتركيز Si. تشير النتائج التجريبية إلى انخفاض تدريجي في الميل مع زيادة مستوى المنشطات، بدءًا من α = 1.3 للعينة غير المنشورة ويصل إلى α = 0.55 للحد الأقصى للعينة المخدرة. يتوافق المنحدر الملحوظ للعينة غير المنشورة مع القيم الموثقة مسبقًا لـ GaN المنتجة في HVPE عالي الجودة، وتحديدًا 1.439 و1.22.

الشكل 4: الموصلية الحرارية لجميع العينات المدروسة لها اعتماد على درجة الحرارة. يتم تمثيل تناسب البيانات التجريبية بالخطوط الصلبة، كما هو مبين في المعادلة (3) (المصدر: 1)
الشكل 5: يتم تمثيل اعتماد التوصيل الحراري على درجة الحرارة كدالة لمحتوى Si بواسطة المنحدر (المصدر: 1).
الشكل 5: يتم تمثيل اعتماد التوصيل الحراري على درجة الحرارة كدالة لمحتوى Si بواسطة المنحدر (المصدر: 1)

مراجع

1 PP Paskov، M. Slomski، JH Leach، JF Muth، و T. Paskova، “تأثير المنشطات Si على التوصيل الحراري للجزء الأكبر من GaN في درجات حرارة مرتفعة – النظرية والتجربة” – AIP Advances 7، 095302 (2017)

ظهر المقال استكشاف تأثير منشطات السيليكون على الموصلية الحرارية السائبة لـ GaN للمرة الأولى على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *