学术研究报告：机械接合法构建金刚石/Ga₂O₃与金刚石/GaN异质P-N结的研究
一、研究团队与发表信息
本研究由美国犹他大学（University of Utah）电气与计算机工程系的Imteaz Rahaman、Hunter D. Ellis、Botong Li等团队主导，合作者包括化学工程系的Mohammad Mohammadi和Yushan Wang。研究成果发表于2025年7月的*Semiconductor Science and Technology*期刊（卷40，文章编号085002），标题为《Investigation of Diamond/Ga₂O₃ and Diamond/GaN Hetero-P–N Junctions Using Mechanical Grafting》。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于超宽禁带半导体（Ultra-Wide Bandgap, UWBG）器件领域，聚焦于金刚石（Diamond，禁带宽度5.47 eV）与β-Ga₂O₃（4.5–4.8 eV）、GaN（3.39 eV）的异质结（Heterojunction）集成。
研究动机：传统异质结制备面临两大挑战：
1. 晶格失配（Lattice Mismatch）：金刚石与Ga₂O₃/GaN的晶格常数差异导致界面缺陷，影响载流子传输；
2. 掺杂不对称性：Ga₂O₃缺乏稳定的p型掺杂，而GaN的n型掺杂困难，制约器件性能。
研究目标：提出一种无需外延生长或缓冲层的机械接合法（Mechanical Grafting, MG），直接在室温下通过物理加压实现体材料（Bulk Materials）的异质结集成，并评估其电学与热稳定性。
三、研究流程与方法
1. 机械接合法（MG）的工艺设计
- 核心创新：摒弃传统高温键合（如等离子活化键合Plasma-Activated Bonding）或外延生长，仅通过机械压力使金刚石与Ga₂O₃/GaN表面直接接触（图2）。
- 关键步骤：
- 表面处理：金刚石（粗糙度<30 nm）与Ga₂O₃（ nm）经丙酮、异丙醇、去离子水清洗；
- 加压装置：采用两种加压方案（图3c-d）：微探针加压系统（Micro-Probe）与螺钉固定装置（Screw-Based Fixture），压力通过监测正向电流间接控制；
- 电极制备：在金刚石（p型，硼掺杂4×10²⁰ cm⁻³）与Ga₂O₃（n型，锡掺杂1×10¹⁸ cm⁻³）表面沉积铟（In）电极，300°C退火30秒形成欧姆接触。
2. 异质结的电学表征
- 测试条件：温度范围25–125°C，双扫电压（Dual Sweep）步长101 mV，延迟5 ms。
- 关键实验：
- 电流-电压（I-V）特性：评估整流比（Rectification Ratio）、开启电压（Turn-On Voltage）和理想因子（Ideality Factor）；
- 滞后性分析：通过半对数坐标考察界面陷阱（Interface Traps）的影响；
- 阴极发光（Cathodoluminescence, CL）：分析GaN极性面（Ga-Polar vs. N-Polar）的缺陷发光（如黄光发射，Yellow Luminescence）。
3. 热边界阻力（Thermal Boundary Resistance, TBR）模拟
- 方法：通过Sentaurus TCAD软件模拟能带对齐（Band Alignment），量化声子散射（Phonon Scattering）对界面热导的影响（图1）。
四、主要结果与数据分析
1. 金刚石/Ga₂O₃异质结
- 电学性能：
- 整流比：室温下达10⁶–10⁸，优于文献报道的ALD生长异质结（10⁷）；
- 理想因子：1.28（接近理想二极管理论值1），表明界面缺陷极少；
- 热稳定性：125°C下滞后电压（Hysteresis）仅0.7 V，远低于传统键合技术（图5-7）。
2. 金刚石/GaN异质结
- 极性依赖：
- Ga极性面：理想因子1.30，整流比>10⁶，滞后<0.05 V（10 μA）；
- N极性面：理想因子1.06（当前报道最低值），但整流比略低（>10⁴）（图9）。
- 光发射特性：正向偏压（>4 V）下观察到GaN的近带边发射（Near-Band-Edge Emission），证实界面辐射复合（图10）。
3. 能带对齐与热管理
- 模拟结果：金刚石/Ga₂O₃为II型交错带隙（Type-II Staggered），导带偏移（ΔEc=3.5 eV）与价带偏移（ΔEv=2.9 eV）有利于高功率应用（图3b）。
五、结论与价值
科学价值：
1. 方法革新：MG技术首次实现体材料异质结的室温集成，为超宽禁带半导体研究提供新范式；
2. 性能突破：低理想因子（<1.3）与高整流比（>10⁶）证明界面质量优于外延生长或键合工艺；
3. 应用潜力：适用于高功率电子器件、深紫外光电器件及极端环境（如高温、辐射）传感器。
局限性：未直接测量击穿电压（Breakdown Voltage），未来需在真空或绝缘油中测试以排除空气击穿干扰。
六、研究亮点
- 原创性方法：机械接合法无需缓冲层或高温处理，规避晶格失配问题；
- 多材料兼容性：成功应用于Ga₂O₃与GaN两种UWBG材料；
- 极低界面缺陷：理想因子接近理论极限，表明界面近乎无缺陷。
七、其他价值
- 教育意义：MG技术操作简单、成本低，适合实验室教学演示；
- 工业适配性：可扩展至大面积晶圆级集成（如5 mm×5 mm样品）。
（全文完）