近日，微電子所高頻高壓中心劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)與日本東京大學(xué)鹽見淳一郎團(tuán)隊(duì)合作，在氮化鎵（GaN）—金剛石晶圓鍵合技術(shù)領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。該項(xiàng)研究創(chuàng)新地使用了表面活化鍵合法（SAB），以納米非晶硅為介質(zhì)在室溫下達(dá)成了氮化鎵—金剛石鍵合，系統(tǒng)揭示了退火中鍵合結(jié)構(gòu)的界面行為及其影響熱導(dǎo)和熱應(yīng)力的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)了納米非晶硅層在退火中再結(jié)晶從而降低界面熱阻的現(xiàn)象，展現(xiàn)了該鍵合技術(shù)在熱導(dǎo)、熱應(yīng)力控制及可靠性方面的明顯優(yōu)勢。 

　　為實(shí)現(xiàn)高可靠性、大功率密度的GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的系統(tǒng)小型化，將GaN集成在金剛石基底上的GaN-diamond異質(zhì)集成方法受到廣泛關(guān)注。目前實(shí)現(xiàn)該異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)主要有外延生長和鍵合兩種方法，相較于外延生長存在熱應(yīng)力、熱損傷和低界面熱導(dǎo)層等問題，鍵合技術(shù)因具有高熱導(dǎo)、低熱應(yīng)力的優(yōu)勢，作為器件優(yōu)先工藝頗具前景，通過表面活化法在室溫下獲得的GaN-diamond異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，其界面熱導(dǎo)已與外延生長法制備的水平相當(dāng)。然而，室溫下獲得的GaN-diamond異質(zhì)鍵合結(jié)構(gòu)，其高溫下的熱穩(wěn)定性研究尚不徹底，而該穩(wěn)定性對后續(xù)器件的外延生長及刻蝕的影響至關(guān)重要，此外，介質(zhì)層對鍵合結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)影響也應(yīng)得到重視，以期找到最優(yōu)化的濺射沉積厚度。 

　　本研究通過濺射沉積納米非晶硅層結(jié)合離子束表面活化方法達(dá)成了GaN在金剛石上的異質(zhì)集成，采用時(shí)域熱反射（TDTR）和透射電鏡對不同厚度納米非晶沉積層樣品的鍵合界面在退火前后進(jìn)行了測試與表征，深度剖析了其成分與組織的演變行為及其對界面熱導(dǎo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，雖然較薄納米非晶硅層在室溫鍵合后有較低熱阻，但由于高溫退火對非晶層的消除，以及不同厚度非晶硅層在元素偏聚、結(jié)晶度和內(nèi)應(yīng)力上的差異，高溫退火后，較厚的非晶硅層反而具有更低的熱阻。此外，拉曼光譜檢測顯示，退火前后金剛石襯底上GaN層的熱應(yīng)力分別低于30 MPa及230 MPa。 

　　研究以《A Novel Strategy for GaN-on-Diamond Device with a High Thermal Boundary Conductance》為題發(fā)表在《Journal of Alloys and Compounds》（Volume 905, 5 April 2022, 164076；DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.164076）。劉新宇研究員和鹽見淳一郎教授為論文共同通訊作者，母鳳文研究員，許斌助理教授，王鑫華副研究員為共同第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金重大儀器項(xiàng)目/重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。 

      《Journal of Alloys and Compounds》期刊服務(wù)于材料學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家的跨學(xué)科團(tuán)體，專注于各種材料的合成與結(jié)構(gòu)的研究，以及傳統(tǒng)合金化合物的與新學(xué)科之間的交互。

GaN-diamond異質(zhì)鍵合界面及殘余熱應(yīng)力變化