金刚石/GaN键合技术大解密！_资讯

金刚石/GaN键合技术大解密！

关键词金刚石|2024-10-23 09:05:50|来源 DT半导体

摘要目前，金刚石与GaN功率器件的集成通常从两方面进行，一是GaN顶部的器件层散热，主要应用金刚石钝化散热技术，金刚石钝化散热是直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到...

目前，金刚石与GaN功率器件的集成通常从两方面进行，一是GaN顶部的器件层散热，主要应用金刚石钝化散热技术，金刚石钝化散热是直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；二是GaN底部金刚石衬底散热，主要有GaN底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延GaN和键合技术。键合技术是实现两者集成的关键方法之一。下面为大家详细介绍金刚石/GaN键合技术的相关研究进展。

键合技术的基本路线

金刚石/GaN键合技术通常是将GaN外延层的原始衬底去除，然后在GaN暴露的底面沉积中间层，之后与金刚石结合。然而，该技术对金刚石的表面粗糙度、弯曲度要求极高，还存在键合强度低、键合层热阻高等问题。

金刚石/GaN表面活化键合技术

1、基本流程

首先通过粘片工艺将 GaN 固定到载片上，之后去除原始衬底，在待键合面沉积键合层或使用离子束活化待键合表面，最后将键合表面贴合并加压完成键合。

表面活化键合的基本流程图源：论文

由于需要保持待键合表面活性，避免氧化或污染，沉积键合层或离子束活化表面步骤与键合步骤需要在高真空度环境（-5×10⁻⁶Pa）中进行，对设备条件要求很高。

2、键合层对热导的影响及优化

键合层通常是非晶态材料，热导率较低。研究人员制备了不同键合层厚度的金刚石/GaN 结构，发现键合层厚度与热导率有强相关性，减小键合层厚度对整体热阻的控制十分重要。

为了减小键合层厚度或使键合层转变成晶态材料，有研究人员使用高温退火的方式。例如，使用Si作为中间层，制备了AlGaN/GaN/3C-SiC/金刚石结构，在800°C退火后形成欧姆接触，键合结构稳定。在1100°C退火后，键合层中Si和C原子发生再结晶生成SiC，厚度减小，且高温退火过程中键合层拉应力也有所减小，器件性能提高。还有研究人员仅通过Ar离子束照射金刚石和GaN表面制备结构，通过退火工艺减小中间层厚度并使其部分转化为金刚石。

3、进一步优化工艺

有研究人员优化工艺，使用Ar离子束照射Si靶，在金刚石上沉积1nm厚的Si层，GaN表面使用Ar离子束轰击活化，在4.4MPa的压力下与GaN成功键合，键合层厚度仅1.5nm，剪切强度4.5MPa，推测界面热阻小。

4、金刚石表面粗糙度控制

金刚石表面粗糙度控制对键合成功率也十分重要，但加工成本高。有研究人员发现在沉积键合层的过程中，可以降低金刚石键合面粗糙度。例如使用射频磁控溅射在金刚石键合面沉积15nmSiC层，使粗糙度降低，而后在表面活化键合设备中室温键合成功，通过退火工艺还可将非晶SiC转变成多晶SiC。

5、大面积键合的进展

目前的研究大多处于小尺寸探索阶段，针对大面积键合，廖龙忠等使用纳米级氧化硅作为键合层，使用优化的键合工艺，成功实现了4英寸金刚石与GaN的键合，所制备的器件热阻降低，结温下降，电气性能提高，验证了大尺寸键合的可行性。

金刚石/GaN亲水键合技术

1、基本原理及流程

亲水键合是在金刚石和 GaN 表面生成 OH 端，通过 OH 端之间的反应实现键合。

亲水键合法制备的金刚石/GaN结构的截面TEM图像图源：论文

Matsumae 等使用 NH₄OH/H₂O₂混合溶液在70°C下处理金刚石，使用HCl溶液在 70°C 下处理 GaN，在表面生成OH端，后将金刚石与GaN在1MPa的压力下 200°C 处理2小时，成功得到金刚石/GaN 结构，剪切强度8.19MPa，有3nm由sp²-C、Ga 和O组成的键合层。

2、技术特点

亲水键合的方法相对于表面活化键合，步骤简单，对设备要求低。但是OH端反应产物包括大量高温水分子，在大尺寸键合过程中可能无法及时逸出，影响键合效果，且高温水蒸气会对GaN产生不利影响。

金刚石/GaN 原子扩散键合技术

1、基本原理及流程

原子扩散键合技术使用 Au、Mo、Ag、Cu 等金属材料作为键合层，利用金属原子在温度和压力下的扩散实现键合。

Wang等在单晶金刚石、多晶金刚石和GaN上沉积5nm Mo层和11nm Au层，在室温下加载2000N的载荷完成键合，制作了单晶金刚石/GaN和多晶金刚石/GaN两个样品。

2、技术特点

成功制备了金刚石/GaN结构，但由于金属材料与金刚石和GaN之间热膨胀系数失配很大，导致其热稳定性较差，且并未报道金属键合层厚度、热导率以及金属层对 GaN器件电气性能的影响。

金刚石/GaN水解辅助固化键合技术

1、基本原理及流程

水解辅助固化键合是一种利用中间层发生化学反应来进行键合的方法。

Gerrer等在Si基AlN/AlGaN/GaN上粘贴一块650μm厚的蓝宝石，而后放入 HNO₃/HF混合溶液中去除Si层，后在去离子水中将AlN/AlGaN/GaN 的AlN面与金刚石接触，旋转去除接触面多余的水，放入真空炉中在200°C完成键合，去除蓝宝石片后得到金刚石/AlGaN/GaN结构。键合层是通过AlN与水在40°C以上温度反应形成的，生成物为Al (OH)₃和AlO(OH)，键合层厚度30nm。