近日，中科院微電子所高頻高壓中心劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)與天津中科晶禾公司等單位合作在厚膜氮化鎵（GaN）與多晶金剛石直接鍵合技術(shù)領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。本研究采用動(dòng)態(tài)等離子體拋光（DPP）技術(shù)，將多晶金剛石表面凸起尖峰高度從15nm降至1.2nm，獲得了表面粗糙度為0.29nm的光滑表面，并結(jié)合表面活化鍵合方法在室溫下實(shí)現(xiàn)了~370μm GaN與~660μm多晶金剛石襯底的直接鍵合，鍵合率達(dá)~92.4%，可耐受-55℃~250℃環(huán)境溫度，為晶圓級(jí)多晶金剛石鍵合提供了有效技術(shù)途徑。

       近年來(lái)，GaN/金剛石異質(zhì)集成方法成為實(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）的有效途徑之一。晶圓直接鍵合技術(shù)具有高界面熱導(dǎo)、低熱應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)，在材料與器件集成方面頗具前景，但對(duì)材料表面面型和粗糙度等質(zhì)量要求較高。目前，單晶金剛石通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）可勉強(qiáng)獲得直接鍵合所需的低表面粗糙度和高平整度等條件，可在前期實(shí)現(xiàn)小尺寸直接鍵合。然而，單晶金剛石的大尺寸生長(zhǎng)難題極大限制了其應(yīng)用，成本也居高不下。多晶金剛石具有成本低、尺寸大等優(yōu)點(diǎn)，但其存在晶粒間界多、應(yīng)力不均勻、凹坑與凸起不規(guī)則等諸多問(wèn)題，使得CMP技術(shù)很難同時(shí)滿(mǎn)足表面粗糙度、表面平整度等要求，難以實(shí)現(xiàn)直接鍵合。另一方面，厚膜GaN可結(jié)合Smart-Cut?等技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)合半導(dǎo)體制造和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建，但厚膜GaN鍵合同時(shí)面臨著更大應(yīng)力問(wèn)題。目前，關(guān)于厚膜GaN與多晶金剛石的直接鍵合研究非常少。

       本研究采用動(dòng)態(tài)入射角度的等離子體拋光技術(shù)，在無(wú)壓力狀態(tài)下解決多晶金剛石平整度和粗糙度等表面形貌問(wèn)題，并結(jié)合原位硅納米層沉積輔助的離子束表面活化鍵合方法，達(dá)成了厚膜GaN與多晶金剛石的異質(zhì)集成，鍵合率達(dá)~92.4%。團(tuán)隊(duì)通過(guò)變溫共焦拉曼光譜技術(shù)，研究了GaN/金剛石鍵合界面在-55℃到250℃溫度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力及其隨溫度變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)GaN/金剛石常溫鍵合界面存在~200 MPa的殘余應(yīng)力，且溫度升高時(shí)界面應(yīng)力呈不對(duì)稱(chēng)增加，即金剛石一側(cè)應(yīng)力顯著增加，而GaN一側(cè)應(yīng)力變化不大。這歸因于GaN與硅納米鍵合輔助層具有相似的熱膨脹系數(shù)（CTE），而金剛石與硅納米鍵合輔助層CTE相差較大。這種不對(duì)稱(chēng)的界面應(yīng)力證明了非晶硅納米層作為緩沖層釋放應(yīng)力的有效性。

       該研究以《Heterogeneous integration of thick GaN and polycrystalline Diamond at room temperature through dynamic plasma polishing and surface-activated bonding》為題發(fā)表在《Journal of Alloys and Compounds（Volume 985,25 May 2024, 174075；DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174075）。王鑫華研究員、母鳳文博士為論文共同通訊作者，高潤(rùn)華博士為論文第一作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市科委項(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(zhuān)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。

       論文鏈接 ：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174075。

       采用動(dòng)態(tài)等離子體拋光技術(shù)和高真空表面活化鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)厚膜GaN與多晶金剛石的常溫直接鍵合