氮化镓-金刚石异质集成研究获进展

近日，中国科学院微电子研究所高频高压中心研究员刘新宇团队与日本东京大学盐见淳一郎团队合作，在氮化镓（GaN）-金刚石晶圆键合技术领域取得了新进展。该研究创新地使用表面活化键合法（SAB），以纳米非晶硅为介质，在室温下达成了氮化镓-金刚石键合，系统揭示了退火中键合结构的界面行为及其影响热导和热应力的机理，发现了纳米非晶硅层在退火中再结晶从而降低界面热阻的现象，展现了该键合技术在热导、热应力控制与可靠性方面的明显优势。

为实现高可靠性、大功率密度的GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）的系统小型化，将GaN集成在金刚石基底上的GaN-diamond异质集成方法受到关注。目前，实现该异质集成结构主要有外延生长和键合两种方法，相较于外延生长存在热应力、热损伤和低界面热导层等问题，键合技术因具有高热导、低热应力的优势，作为器件优先工艺颇具前景，通过表面活化法在室温下获得的GaN-diamond异质键合结构，其界面热导已与外延生长法制备的水平相当。然而，室温下获得的GaN-diamond异质键合结构，其高温下的热稳定性研究尚不彻底，而该稳定性对后续器件的外延生长及刻蚀的影响至关重要，此外，介质层对键合结构的热导影响也应得到重视，以期找到最优化的溅射沉积厚度。

该研究利用溅射沉积纳米非晶硅层结合离子束表面活化方法达成了GaN在金刚石上的异质集成，采用时域热反射（TDTR）和透射电镜对不同厚度纳米非晶沉积层样品的键合界面在退火前后进行测试与表征，剖析其成分与组织的演变行为及其对界面热导的影响。研究发现，虽然较薄纳米非晶硅层在室温键合后有较低热阻，但由于高温退火对非晶层的消除以及不同厚度非晶硅层在元素偏聚、结晶度和内应力上的差异，高温退火后，较厚的非晶硅层反而具有更低的热阻。此外，拉曼光谱检测显示，退火前后金刚石衬底上GaN层的热应力分别低于30 MPa和230 MPa。

相关研究成果以A Novel Strategy for GaN-on-Diamond Device with a High Thermal Boundary Conductance为题，发表在Journal of Alloys and Compounds（Volume 905, 5 April 2022, 164076，DOI：10.1016/j.jallcom.2022.164076）上。研究工作得到国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目/重点项目等的支持。

GaN-diamond异质键合界面及残余热应力变化