日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所：金剛石作為散熱材料在氮化鎵基電子器件中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著氮化鎵（GaN）基微波功率器件輸出功率的提高及器件尺寸的縮小，散熱問(wèn)題已成為制約其可靠性和穩(wěn)定性的重要因素之一。在目前所知的天然物質(zhì)中，金剛石具有最高的熱導(dǎo)率，是制備GaN基電子器件不可或缺的散熱材料，在高頻高功率AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的散熱方面極有應(yīng)用潛力。

實(shí)現(xiàn)GaN-on-diamond結(jié)構(gòu)主要有以下3種途徑：1，鍵合法；2，在GaN外延層或HEMT器件上外延生長(zhǎng)金剛石；3，在金剛石襯底上外延生長(zhǎng)GaN器件。由于GaN和金剛石之間具有較大的晶格失配和熱失配，這3種方法制備的GaN-on-diamond都面臨應(yīng)力大、界面粗糙和熱邊界電阻大等問(wèn)題。其中，界面熱阻的存在，使得熱量集中在GaN和金剛石的界面，極大影響了器件的可靠性。

用于HEMTs器件的氮化鎵/金剛石晶圓

日本國(guó)立物質(zhì)材料研究所桑立雯研究員團(tuán)隊(duì)總結(jié)不同方法所制備的GaN-on-Diamond結(jié)構(gòu)，以及其對(duì)器件性能的影響，詳細(xì)介紹不同制備方法測(cè)量得到的界面熱阻，同時(shí)提出解決思路。相關(guān)的成果以“Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices ”為題，發(fā)表在Functional Diamond 雜志上。

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https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1980356

大阪市立大等實(shí)現(xiàn)GaN與金剛石的直接鍵合，有望解決半導(dǎo)體發(fā)熱問(wèn)題

大阪市立大學(xué)梁劍波副教授和重川直輝教授、東北大學(xué)金屬材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授和清水康雄博士（現(xiàn)國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人物質(zhì)材料研究機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)稱NIMS）、佐賀大學(xué)理工學(xué)部的嘉數(shù)誠(chéng)教授以及“Adamant并木精密寶石”公司的金圣祐博士等人組成的研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了氮化鎵（GaN）與金剛石的直接鍵合。GaN元件的性能受發(fā)熱限制是一直存在的缺點(diǎn)，但通過(guò)鍵合地球上導(dǎo)熱率最高的金剛石，可以將GaN晶體管的溫升控制在以往的四分之一左右。相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)布于ADVANCED MATERIALS的在線版。

GaN/金剛石鍵合界面的截面TEM圖像（a：實(shí)施熱處理前，b：實(shí)施1,000℃的熱處理后）（照片由大阪市立大學(xué)提供）

實(shí)用化，以解決半導(dǎo)體元件的發(fā)熱問(wèn)題，助力人類實(shí)現(xiàn)SDGs”。

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https://doi.org/10.1002/adma.202104564

大氣條件下InP和金剛石襯底直接鍵合！實(shí)現(xiàn)高效散熱

磷化銦具有高電子傳輸速度、低接觸電阻和大異質(zhì)結(jié)偏移等優(yōu)勢(shì)，被作為下一代高頻高功率電子器件的新型半導(dǎo)體材料。隨著電子設(shè)備的小型化和高功率運(yùn)行需求漸漲，這些高功率密度設(shè)備的散熱問(wèn)題成了集成電路行業(yè)發(fā)展的絆腳石。金剛石具有固體材料中最高的熱導(dǎo)率 (2200 W/m/K)，以金剛石作為散熱襯底與器件直接鍵合是減小熱阻的理想選擇。而目前關(guān)于 InP 和金剛石襯底直接鍵合的研究很少。

來(lái)自日本國(guó)家先進(jìn)工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所的Takashi Matsumae團(tuán)隊(duì)通過(guò)將氧等離子體活化的 InP 基板和用NH3/H2O2清潔的金剛石襯底在大氣條件下接觸，隨后將InP/金剛石復(fù)合樣品在 250°C 下退火，使兩種材料通過(guò)厚度為 3 nm 的非晶中間層形成了剪切強(qiáng)度為 9.3 MPa 的原子鍵。相關(guān)論文以“Low?temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”為題發(fā)表在《Scientific Reports》期刊上。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量金剛石與其他半導(dǎo)體材料襯底（如硅、氧化鎵等）直接鍵合研究發(fā)現(xiàn)，在用如H2SO4/H2O2和NH3/H2O2混合物氧化溶液處理過(guò)的金剛石表面可形成 OH 基團(tuán)。此外，OH封端的金剛石表面可通過(guò)大約 200 °C 下熱脫水與OH封端的半導(dǎo)體襯底形成直接鍵合。雖然對(duì) InP 和金剛石鍵合的研究很少，但光電子科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了氧等離子體激活的 InP 激光器和 Si 波導(dǎo)的直接鍵合 。為此，該研究團(tuán)隊(duì)提出了 InP 和金剛石基板的直接鍵合工藝方案，并研究了 InP/金剛石鍵合界面的納米結(jié)構(gòu)。

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https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4

（來(lái)源：DT半導(dǎo)體）