目前，金剛石與GaN功率器件的集成通常從兩方面進(jìn)行，一是GaN頂部的器件層散熱，主要應(yīng)用金剛石鈍化散熱技術(shù)，金剛石鈍化散熱是直接在器件頂部沉積金剛石，提高熱點(diǎn) 頂部的熱擴(kuò)散，同時(shí)起到增大換熱面積的作用；二是GaN底部金剛石襯底散熱，主要有GaN底部異質(zhì)外延金剛石、金剛石表面異質(zhì)外延GaN和鍵合技術(shù)。鍵合技術(shù)是實(shí)現(xiàn)兩者集成的關(guān)鍵方法之一。下面為大家詳細(xì)介紹金剛石/GaN鍵合技術(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展。

       鍵合技術(shù)的基本路線

金剛石/GaN鍵合技術(shù)通常是將GaN外延層的原始襯底去除，然后在GaN暴露的底面沉積中間層，之后與金剛石結(jié)合。然而，該技術(shù)對(duì)金剛石的表面粗糙度、彎曲度要求極高，還存在鍵合強(qiáng)度低、鍵合層熱阻高等問題。

       金剛石/GaN表面活化鍵合技術(shù) 

       1、基本流程

       首先通過粘片工藝將 GaN 固定到載片上，之后去除原始襯底，在待鍵合面沉積鍵合層或使用離子束活化待鍵合表面，最后將鍵合表面貼合并加壓完成鍵合。

表面活化鍵合的基本流程   圖源：論文

       由于需要保持待鍵合表面活性，避免氧化或污染，沉積鍵合層或離子束活化表面步驟與鍵合步驟需要在高真空度環(huán)境（-5×10??Pa）中進(jìn)行，對(duì)設(shè)備條件要求很高。

       2、鍵合層對(duì)熱導(dǎo)的影響及優(yōu)化

       鍵合層通常是非晶態(tài)材料，熱導(dǎo)率較低。研究人員制備了不同鍵合層厚度的金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鍵合層厚度與熱導(dǎo)率有強(qiáng)相關(guān)性，減小鍵合層厚度對(duì)整體熱阻的控制十分重要。

       為了減小鍵合層厚度或使鍵合層轉(zhuǎn)變成晶態(tài)材料，有研究人員使用高溫退火的方式。例如，使用Si作為中間層，制備了AlGaN/GaN/3C-SiC/金剛石結(jié)構(gòu)，在800°C退火后形成歐姆接觸，鍵合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。在1100°C退火后，鍵合層中Si和C原子發(fā)生再結(jié)晶生成SiC，厚度減小，且高溫退火過程中鍵合層拉應(yīng)力也有所減小，器件性能提高。還有研究人員僅通過Ar離子束照射金剛石和GaN表面制備結(jié)構(gòu)，通過退火工藝減小中間層厚度并使其部分轉(zhuǎn)化為金剛石。

       3、進(jìn)一步優(yōu)化工藝

       有研究人員優(yōu)化工藝，使用Ar離子束照射Si靶，在金剛石上沉積1nm厚的Si層，GaN表面使用Ar離子束轟擊活化，在4.4MPa的壓力下與GaN成功鍵合，鍵合層厚度僅1.5nm，剪切強(qiáng)度4.5MPa，推測界面熱阻小。

       4、金剛石表面粗糙度控制

       金剛石表面粗糙度控制對(duì)鍵合成功率也十分重要，但加工成本高。有研究人員發(fā)現(xiàn)在沉積鍵合層的過程中，可以降低金剛石鍵合面粗糙度。例如使用射頻磁控濺射在金剛石鍵合面沉積15nmSiC層，使粗糙度降低，而后在表面活化鍵合設(shè)備中室溫鍵合成功，通過退火工藝還可將非晶SiC轉(zhuǎn)變成多晶SiC。

       5、大面積鍵合的進(jìn)展

       目前的研究大多處于小尺寸探索階段，針對(duì)大面積鍵合，廖龍忠等使用納米級(jí)氧化硅作為鍵合層，使用優(yōu)化的鍵合工藝，成功實(shí)現(xiàn)了4英寸金剛石與GaN的鍵合，所制備的器件熱阻降低，結(jié)溫下降，電氣性能提高，驗(yàn)證了大尺寸鍵合的可行性。

       金剛石/GaN親水鍵合技術(shù)

       1、基本原理及流程

       親水鍵合是在金剛石和 GaN 表面生成 OH 端，通過 OH 端之間的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)鍵合。

親水鍵合法制備的金剛石/GaN結(jié)構(gòu)的截面TEM圖像  圖源：論文

       Matsumae 等使用 NH?OH/H?O?混合溶液在70°C下處理金剛石，使用HCl溶液在 70°C 下處理 GaN，在表面生成OH端，后將金剛石與GaN在1MPa的壓力下 200°C 處理2小時(shí)，成功得到金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，剪切強(qiáng)度8.19MPa，有3nm由sp2-C、Ga 和O組成的鍵合層。

       2、技術(shù)特點(diǎn)

       親水鍵合的方法相對(duì)于表面活化鍵合，步驟簡單，對(duì)設(shè)備要求低。但是OH端反應(yīng)產(chǎn)物包括大量高溫水分子，在大尺寸鍵合過程中可能無法及時(shí)逸出，影響鍵合效果，且高溫水蒸氣會(huì)對(duì)GaN產(chǎn)生不利影響。

       金剛石/GaN 原子擴(kuò)散鍵合技術(shù) 

       1、基本原理及流程

       原子擴(kuò)散鍵合技術(shù)使用 Au、Mo、Ag、Cu 等金屬材料作為鍵合層，利用金屬原子在溫度和壓力下的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)鍵合。

       Wang等在單晶金剛石、多晶金剛石和GaN上沉積5nm Mo層和11nm Au層，在室溫下加載2000N的載荷完成鍵合，制作了單晶金剛石/GaN和多晶金剛石/GaN兩個(gè)樣品。

       2、技術(shù)特點(diǎn)

       成功制備了金剛石/GaN結(jié)構(gòu)，但由于金屬材料與金剛石和GaN之間熱膨脹系數(shù)失配很大，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性較差，且并未報(bào)道金屬鍵合層厚度、熱導(dǎo)率以及金屬層對(duì) GaN器件電氣性能的影響。

       金剛石/GaN水解輔助固化鍵合技術(shù) 

       1、基本原理及流程

       水解輔助固化鍵合是一種利用中間層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行鍵合的方法。

       Gerrer等在Si基AlN/AlGaN/GaN上粘貼一塊650μm厚的藍(lán)寶石，而后放入 HNO?/HF混合溶液中去除Si層，后在去離子水中將AlN/AlGaN/GaN 的AlN面與金剛石接觸，旋轉(zhuǎn)去除接觸面多余的水，放入真空爐中在200°C完成鍵合，去除藍(lán)寶石片后得到金剛石/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)。鍵合層是通過AlN與水在40°C以上溫度反應(yīng)形成的，生成物為Al (OH)?和AlO(OH)，鍵合層厚度30nm。

       水解輔助固化鍵合法中間層形成過程  圖源：論文

       2、技術(shù)特點(diǎn)

       整個(gè)工藝流程都是在液體中進(jìn)行的，工藝簡單，對(duì)金剛石粗糙度要求較低，但是鍵合層材料導(dǎo)熱率極低，且厚度難以控制，導(dǎo)致其熱阻高。

       鍵合技術(shù)的總結(jié)與展望

       鍵合技術(shù)在金剛石與GaN的集成中占據(jù)關(guān)鍵地位。當(dāng)下，各類鍵合技術(shù)雖都有一定進(jìn)展，但仍存在諸多問題。例如，鍵合層的質(zhì)量與厚度控制頗具難度，熱穩(wěn)定性欠佳，對(duì)金剛石表面要求苛刻等。

       展望未來，研究方向應(yīng)聚焦于進(jìn)一步優(yōu)化鍵合工藝，積極開發(fā)新型鍵合材料與方法。通過這些努力，有望提升鍵合質(zhì)量和性能，進(jìn)而推動(dòng)金剛石與GaN集成技術(shù)的進(jìn)步，使其在高性能功率器件制造領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。

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