近日，中科院微電子所的高頻高壓中心傳來喜訊，劉新宇研究員團(tuán)隊(duì)攜手天津中科晶禾公司等單位，在厚膜氮化鎵（GaN）與多晶金剛石直接鍵合技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。該研究不僅攻克了多晶金剛石表面形貌的難題，更在室溫下實(shí)現(xiàn)了與厚膜GaN的高效直接鍵合，為晶圓級(jí)多晶金剛石鍵合技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用開辟了新的道路。

       據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)采用了先進(jìn)的動(dòng)態(tài)等離子體拋光（DPP）技術(shù)，將多晶金剛石表面的凸起尖峰高度顯著降低到1.2nm，同時(shí)獲得了表面粗糙度僅為0.29nm的光滑表面。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合表面活化鍵合方法，團(tuán)隊(duì)成功在室溫下將約370μm的GaN與約660μm的多晶金剛石襯底實(shí)現(xiàn)直接鍵合，鍵合率高達(dá)約92.4%，且該結(jié)構(gòu)能在-55℃至250℃的寬溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

       近年來，GaN/金剛石異質(zhì)集成技術(shù)因其在制造高可靠性、大功率密度GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）方面的巨大潛力而備受關(guān)注。晶圓直接鍵合技術(shù)因其高界面熱導(dǎo)和低熱應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)，在材料與器件集成領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)對(duì)材料表面的平整度和粗糙度要求極高，這成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

       目前，雖然單晶金剛石通過化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)（CMP）能夠獲得較低的表面粗糙度和高平整度，但單晶金剛石的大尺寸生長(zhǎng)難題和高昂成本限制了其廣泛應(yīng)用。相比之下，多晶金剛石具有成本低、尺寸大等優(yōu)點(diǎn)，但其表面形貌的復(fù)雜性和不均勻性使得CMP技術(shù)難以滿足直接鍵合的要求。同時(shí)，厚膜GaN在鍵合過程中也面臨著應(yīng)力問題，進(jìn)一步增加了技術(shù)難度。

       此次研究團(tuán)隊(duì)采用的動(dòng)態(tài)入射角度等離子體拋光技術(shù)，在解決多晶金剛石表面形貌問題上取得了突破性進(jìn)展。該技術(shù)能夠在無壓力狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)多晶金剛石表面的精細(xì)處理，有效降低了其表面粗糙度和凸起尖峰高度。同時(shí)，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，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了厚膜GaN與多晶金剛石的異質(zhì)集成，且鍵合率高達(dá)約92.4%。

       此外，研究團(tuán)隊(duì)還利用變溫共焦拉曼光譜技術(shù)，深入研究了GaN/金剛石鍵合界面在寬溫度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，常溫鍵合界面存在約200 MPa的殘余應(yīng)力，且隨著溫度的升高，界面應(yīng)力呈現(xiàn)出不對(duì)稱增加的特點(diǎn)。這主要是由于GaN與硅納米鍵合輔助層具有相近的熱膨脹系數(shù)（CTE），而金剛石與硅納米鍵合輔助層的CTE差異較大。這種不對(duì)稱的應(yīng)力分布進(jìn)一步證明了非晶硅納米層作為緩沖層在釋放應(yīng)力方面的有效性。

       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)表在權(quán)威期刊《Journal of Alloys and Compounds》上。王鑫華研究員、母鳳文博士為論文的共同通訊作者，高潤(rùn)華博士為論文的第一作者。該研究的順利進(jìn)行得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市科委項(xiàng)目等資助的支持。

       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 

       這一重要突破不僅為厚膜氮化鎵與多晶金剛石異質(zhì)集成技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法，也為未來高功率、高可靠性電子器件的研制和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。隨著研究的深入和技術(shù)的不斷完善，相信這一領(lǐng)域?qū)?huì)取得更多突破性成果，為電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。

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https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174075