当今社会对更强大的电子设备的需求因我们生产高导电半导体的能力而减少，这些半导体可以承受高功率设备的严酷高温制造过程。


金刚石上的氮化镓 (GaN) 显示出作为下一代半导体材料的前景，因为这两种材料的带隙都很宽，可实现高导电性和金刚石的高导热性，将其定位为卓越的散热基板。已经尝试通过将两种成分与某种形式的过渡层或粘附层结合来创建金刚石上的 GaN 结构，但在这两种情况下，附加层都显着干扰了金刚石的导热性 - 破坏了 GaN 金刚石的一个关键优势组合。



因此，需要一种可以直接集成金刚石和 GaN 的技术，大阪城市大学 (OCU) 工程研究生院副教授、该研究的第一作者梁建波说，但是，由于晶体结构和晶格常数的巨大差异，在 GaN 上直接生长金刚石是不可能的，反之亦然。


在没有任何中间层的情况下将两个元件融合在一起，称为晶圆直接键合，是解决这种不匹配问题的一种方法。然而，为了产生足够高的粘合强度，许多直接粘合方法需要在称为后退火工艺的过程中将结构加热到极高的温度（通常为 500℃）。由于热膨胀不匹配，这通常会导致不同材料的粘合样品出现裂纹——这一次，GaN-金刚石结构无法在制造过程中经历的极高温度下幸存下来。


在之前的工作中，我们使用表面活化键合 (SAB) 在室温下成功地制造了与金刚石的各种界面，所有界面都表现出很高的热稳定性和出色的实用性，研究负责人 Naoteru Shigekawa 教授说。


正如本周在ADVANCED MATERIALS杂志上报道的那样，Liang、Shigekawa 和他们来自东北大学、佐贺大学和 Adamant Namiki Precision Jewel 的同事。Co., Ltd. 使用 SAB 方法成功键合 GaN 和金刚石，并证明即使加热到 1,000℃ 键合也很稳定。


SAB 通过原子清洁和激活键合表面在彼此接触时发生反应，在室温下在不同材料之间建立高度牢固的键。


由于 GaN 的化学性质与研究团队过去使用的材料完全不同，在他们使用 SAB 制造金刚石基 GaN 材料后，他们使用了多种技术来测试键合位点或异质界面的稳定性. 为了表征异质界面的 GaN 中的残余应力，他们使用微拉曼光谱、透射电子显微镜 (TEM) 和能量色散 X 射线光谱揭示了异质界面的纳米结构和原子行为，电子能量损失光谱(EELS) 显示了异质界面处碳原子的化学键状态，并在 N 2 中700℃下测试了异质界面的热稳定性 气体环境压力，这是基于 GaN 的功率器件制造工艺所必需的，梁说。



结果表明，在异质界面处形成了大约 5.3 nm 的中间层，它是非晶碳和金刚石的混合物，其中分布有 Ga 和 N 原子。正如 Shigekawa 所说，随着团队提高退火温度，他们注意到层厚度减少，由于无定形碳直接转化为金刚石。1000℃退火后，层数减少到1.5nm，表明通过优化退火工艺可以完全去除中间层，教授继续说道。尽管异质界面的抗压强度数字随着退火温度的升高而提高，但它们与晶体生长形成的金刚石上 GaN 结构的抗压强度数字不匹配。


然而，由于在 1000℃ 退火后在异质界面上没有观察到剥落，梁说，这些结果表明 GaN/金刚石异质界面可以承受严酷的制造工艺，氮化镓晶体管的温升受到抑制四个。



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来源：贤集网
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