近日，微電子所高頻高壓中心劉新宇研究員團隊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)域取得了新進展。本研究采用動態(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現(xiàn)了~370μm GaN與~660μm多晶金剛石襯底的直接鍵合，鍵合率達~92.4%，可耐受-55℃~250℃環(huán)境溫度，為晶圓級多晶金剛石鍵合提供了有效技術(shù)途徑。

近年來，GaN/金剛石異質(zhì)集成方法成為實現(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、低熱應(yīng)力的優(yōu)勢，在材料與器件集成方面頗具前景，但對材料表面面型和粗糙度等質(zhì)量要求較高。目前，單晶金剛石通過化學機械拋光技術(shù)（CMP）可勉強獲得直接鍵合所需的低表面粗糙度和高平整度等條件，可在前期實現(xiàn)小尺寸直接鍵合。然而，單晶金剛石的大尺寸生長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，但其存在晶粒間界多、應(yīng)力不均勻、凹坑與凸起不規(guī)則等諸多問題，使得CMP技術(shù)很難同時滿足表面粗糙度、表面平整度等要求，難以實現(xiàn)直接鍵合。另一方面，厚膜GaN可結(jié)合Smart-Cut®等技術(shù)實現(xiàn)復合半導體制造和異質(zhì)結(jié)構(gòu)建，但厚膜GaN鍵合同時面臨著更大應(yīng)力問題。目前，關(guān)于厚膜GaN與多晶金剛石的直接鍵合研究非常少。

本研究采用動態(tài)入射角度的等離子體拋光技術(shù)，在無壓力狀態(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，達成了厚膜GaN與多晶金剛石的異質(zhì)集成，鍵合率達~92.4%。團隊通過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，且溫度升高時界面應(yīng)力呈不對稱增加，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。這種不對稱的界面應(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，高潤華博士為論文第一作者。研究得到國家自然科學基金項目、北京市科委項目等資助。

《Journal of Alloys and Compounds》期刊服務(wù)于材料學家、物理學家和化學家的跨學科團體，專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科之間的交互。

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

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

（來源：中國科學院微電子研究所  高頻高壓中心）