Effect of bias-enhanced nucleation on the microstructure and thermal boundary resistance of GaN/SiNx/diamond multilayer composites

材料科学 钻石 成核 界面热阻 偏压 微观结构 复合材料 光电子学 热阻 热的 电压 热力学 量子力学 物理
作者
Yiming Wang,Bing Zhou,Guoliang Ma,Jiaqi Zhi,Chao Yuan,Hui Sun,Yong Ma,Jie Gao,Yongsheng Wang,Shengwang Yu
出处
期刊:Materials Characterization [Elsevier]
卷期号:201: 112985-112985
标识
DOI:10.1016/j.matchar.2023.112985
摘要

The low effective thermal boundary resistance (TBReff) at the GaN/diamond interface is very important for the development of high-power, high-frequency and high-temperature GaN-on-diamond devices. The nucleation and growth of diamond are key processes for modulating the TBReff. This work proposed the bias enhanced nucleation technique to adjust the nucleation of GaN/SiNx/diamond multilayer composites in the MPCVD process at different bias voltages (400–700 V), thereby adjusting TBReff. Pulse bias is beneficial to a stable plasma environment and to obtain a complete GaN/diamond interface structure. The transient thermoreflectance characterization indicated that the GaN/SiNx/diamond multilayer composite prepared under 700 V bias nucleation condition had the lowest TBReff (26 ± 10 m2K/GW), whereas the GaN/SiNx/diamond multilayer composite at 600 V bias had the highest TBReff (83 ± 18 m2K/GW). The role of bias enhanced nucleation process in the TBReff was systematically analyzed by electron microscopies (TEM and SEM) and Raman spectroscopy. The GaN/SiNx/diamond multilayer composite prepared at 600 V showed a thick mixed transition layer containing multiphase structures and rough interfaces due to efficient subsurface ion implantation, resulting in high TBReff. In contrast, at 700 V, a thinner nucleation zone and smoother interface result in the lowest TBReff. This work demonstrated the potential of adjusting TBReff at the GaN/diamond interface by using bias enhanced nucleation technique to modulate the diamond nucleation and growth processes.
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