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當今社會對更強大的電子設備的需求因我們生產高導電半導體的能力而減少，這些半導體可以承受高功率設備的嚴酷高溫制造過程。
金剛石上的氮化鎵 (GaN) 顯示出作為下一代半導體材料的前景，因為這兩種材料的帶隙都很寬，可實現高導電性和金剛石的高導熱性，將其定位為卓越的散熱基板。已經嘗試通過將兩種成分與某種形式的過渡層或粘附層結合來創建金剛石上的 GaN 結構，但在這兩種情況下，附加層都顯著干擾了金剛石的導熱性 - 破壞了 GaN 金剛石的一個關鍵優勢組合。
因此，需要一種可以直接集成金剛石和 GaN 的技術，大阪城市大學 (OCU) 工程研究生院副教授、該研究的第一作者梁建波說，但是，由于晶體結構和晶格常數的巨大差異，在 GaN 上直接生長金剛石是不可能的，反之亦然。
在沒有任何中間層的情況下將兩個元件融合在一起，稱為晶圓直接鍵合，是解決這種不匹配問題的一種方法。然而，為了產生足夠高的粘合強度，許多直接粘合方法需要在稱為后退火工藝的過程中將結構加熱到極高的溫度（通常為 500℃）。由于熱膨脹不匹配，這通常會導致不同材料的粘合樣品出現裂紋——這一次，GaN-金剛石結構無法在制造過程中經歷的極高溫度下幸存下來。
在之前的工作中，我們使用表面活化鍵合 (SAB) 在室溫下成功地制造了與金剛石的各種界面，所有界面都表現出很高的熱穩定性和出色的實用性，研究負責人 Naoteru Shigekawa 教授說。
正如本周在ADVANCED MATERIALS雜志上報道的那樣，Liang、Shigekawa 和他們來自東北大學、佐賀大學和 Adamant Namiki Precision Jewel 的同事。Co., Ltd. 使用 SAB 方法成功鍵合 GaN 和金剛石，并證明即使加熱到 1,000℃ 鍵合也很穩定。
SAB 通過原子清潔和激活鍵合表面在彼此接觸時發生反應，在室溫下在不同材料之間建立高度牢固的鍵。
由于 GaN 的化學性質與研究團隊過去使用的材料完全不同，在他們使用 SAB 制造金剛石基 GaN 材料后，他們使用了多種技術來測試鍵合位點或異質界面的穩定性. 為了表征異質界面的 GaN 中的殘余應力，他們使用微拉曼光譜、透射電子顯微鏡 (TEM) 和能量色散 X 射線光譜揭示了異質界面的納米結構和原子行為，電子能量損失光譜(EELS) 顯示了異質界面處碳原子的化學鍵狀態，并在 N 2 中700℃下測試了異質界面的熱穩定性 氣體環境壓力，這是基于 GaN 的功率器件制造工藝所必需的，梁說。
結果表明，在異質界面處形成了大約 5.3 nm 的中間層，它是非晶碳和金剛石的混合物，其中分布有 Ga 和 N 原子。正如 Shigekawa 所說，隨著團隊提高退火溫度，他們注意到層厚度減少，由于無定形碳直接轉化為金剛石。1000℃退火后，層數減少到1.5nm，表明通過優化退火工藝可以完全去除中間層，教授繼續說道。盡管異質界面的抗壓強度數字隨著退火溫度的升高而提高，但它們與晶體生長形成的金剛石上 GaN 結構的抗壓強度數字不匹配。
然而，由于在 1000℃ 退火后在異質界面上沒有觀察到剝落，梁說，這些結果表明 GaN/金剛石異質界面可以承受嚴酷的制造工藝，氮化鎵晶體管的溫升受到抑制四個。
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來源：賢集網
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