GaN/3C-SiC/金刚石异质结的大面积键合技术及其在高效热管理中的应用研究

作者及机构
本研究的核心作者包括Ryo Kagawa（大阪城市大学电子信息系）、Zhe Cheng（北京大学集成电路学院）、Keisuke Kawamura（Air Water Inc. SIC事业部）、Yutaka Ohno（东北大学材料研究所）等，通讯作者为Jianbo Liang（大阪城市大学）。研究成果发表于期刊《Small》2024年第20卷，文章编号2305574。

学术背景

研究领域与动机
随着半导体器件小型化和5G/人工智能技术的普及，功率密度和发热问题日益突出。金刚石作为自然界导热率最高的材料（~2000 W·m⁻¹·K⁻¹），是解决GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）散热问题的理想基板。然而，传统“器件优先”（device-first）工艺中，高温退火易导致界面剥离，且热边界电导（Thermal Boundary Conductance, TBC）不足。本研究提出“键合优先”（bonding-first）策略，通过3C-SiC（立方碳化硅）中间层实现GaN与金刚石的大面积键合，旨在突破热管理瓶颈。

关键科学问题
1. 热稳定性：需承受GaN外延生长所需的1100°C高温退火；
2. 热阻控制：降低3C-SiC/金刚石界面的热边界电阻；
3. 规模化生产：实现晶圆级键合，满足工业化需求。

研究方法与流程

1. 材料制备与键合工艺

• 异质结构生长：通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在Si（111）衬底上生长多层结构，包括2 μm GaN、1 μm 3C-SiC及AlGaN势垒层。
  
• 转移工艺：
  
  • Si衬底去除：氢氟酸蚀刻剥离Si衬底，化学机械抛光（CMP）3C-SiC表面至粗糙度<0.4 nm。
    
  • 表面活化键合（SAB）：在金刚石表面溅射15 nm非晶硅（a-Si）层，室温下通过Ar束辐照激活界面，实现3C-SiC与金刚石的直接键合。
    
• 器件制备：采用标准光刻与干法刻蚀工艺制作HEMTs，欧姆接触（Ti/Al/Ti/Au）经800°C退火形成。
  

2. 热稳定性与界面表征

• 高温退火实验：在真空环境中进行600–1100°C退火（升温速率60°C/s），通过扫描声学显微镜（SAM）验证界面无剥离。
  
• 显微分析：
  
  • 透射电镜（TEM）：显示退火后界面形成7.4 nm的3C-SiC结晶层，晶格应变通过泊松效应缓解（应变率≈0.016）。
    
  • 能谱（EDS）与电子能量损失谱（EELS）：证实界面碳原子密度降低，但未形成缺陷。
    

3. 热学与电学性能测试

• 热导率测量：时域热反射法（TDTR）测得3C-SiC层热导率为193 W·m⁻¹·K⁻¹，界面TBC达55 mW·m⁻²·K⁻¹。
  
• 器件性能对比：与Si和4H-SiC衬底相比，金刚石基HEMTs的饱和漏极电流（Id）提升至478 mA/mm，热阻（Rth）降低至10 K·mm/W（仅为Si基器件的1/4）。
  

主要结果与逻辑链条

1. 界面稳定性：1100°C退火后，3C-SiC/金刚石界面无裂纹，归因于中间层的应变缓冲作用（图6 TEM结果）。
   
2. 热管理效能：高TBC值使器件在8 W/mm功耗下，栅极边缘温度仅81°C（Si基器件为259°C），验证了金刚石的散热优势（图10）。
   
3. 电学性能：金刚石基HEMTs的跨导（gm_max）达76 mS/mm，优于SiC基器件（69 mS/mm），表明键合工艺未引入电学性能损耗（表1）。
   

结论与价值

科学意义
- 首次实现GaN/3C-SiC/金刚石异质结的大面积键合，解决了高温退火下的界面稳定性问题；
- 通过3C-SiC中间层优化热膨胀系数匹配，为宽禁带半导体与金刚石集成提供了普适性方案。

应用前景
- 高功率电子器件：适用于5G基站、雷达等高频高功率场景；
- 规模化生产：兼容现有半导体工艺，推动金刚石基GaN器件的商业化。

研究亮点

1. 创新键合技术：SAB方法结合a-Si过渡层，实现低温键合与高温稳定性；
   
2. 热阻突破：55 mW·m⁻²·K⁻¹的TBC为同类研究中最高值之一；
   
3. 多尺度表征：结合TDTR、EELS等揭示界面原子级结构与热输运机制。
   

补充发现
- 退火过程中非晶层重结晶为3C-SiC，证实固相外延生长机制（图6 FFT分析）；
- 器件性能与热管理效能的协同优化，为下一代电子系统设计提供新范式。

（全文约2000字，涵盖研究全貌与细节）