近日，中國科學院微電子所高頻高壓中心劉新宇研究員團隊與日本東京大學鹽見淳一郎團隊合作，在氮化鎵（GaN）—金剛石晶圓鍵合技術領域取得了新進展。該項研究創新地使用了表面活化鍵合法（SAB），以納米非晶硅為介質在室溫下達成了氮化鎵—金剛石鍵合，系統揭示了退火中鍵合結構的界面行為及其影響熱導和熱應力的機理，發現了納米非晶硅層在退火中再結晶從而降低界面熱阻的現象，展現了該鍵合技術在熱導、熱應力控制及可靠性方面的明顯優勢。
為實現高可靠性、大功率密度的GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)的系統小型化，將GaN集成在金剛石基底上的GaN-diamond異質集成方法受到廣泛關注。目前實現該異質集成結構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力、熱損傷和低界面熱導層等問題，鍵合技術因具有高熱導、低熱應力的優勢，作為器件優先工藝頗具前景，通過表面活化法在室溫下獲得的GaN-diamond異質鍵合結構，其界面熱導已與外延生長法制備的水平相當。然而，室溫下獲得的GaN-diamond異質鍵合結構，其高溫下的熱穩定性研究尚不徹底，而該穩定性對后續器件的外延生長及刻蝕的影響至關重要，此外，介質層對鍵合結構的熱導影響也應得到重視，以期找到最優化的濺射沉積厚度。
本研究通過濺射沉積納米非晶硅層結合離子束表面活化方法達成了GaN在金剛石上的異質集成，采用時域熱反射（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的影響。研究發現，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、結晶度和內應力上的差異，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基金重大儀器項目/重點項目等資助。
《Journal of Alloys and Compounds》期刊服務于材料學家、物理學家和化學家的跨學科團體，專注于各種材料的合成與結構的研究，以及傳統合金化合物的與新學科之間的交互。
GaN-diamond異質鍵合界面及殘余熱應力變化
