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可承受 1000℃高溫！金剛石基氮化鎵半導(dǎo)體材料為下一代高導(dǎo)電半導(dǎo)體器件鋪平道路

文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2021-09-10 16:04:41

當(dāng)今社會(huì)對(duì)更強(qiáng)大的電子設(shè)備的需求因我們生產(chǎn)高導(dǎo)電半導(dǎo)體的能力而減少，這些半導(dǎo)體可以承受高功率設(shè)備的嚴(yán)酷高溫制造過(guò)程。

金剛石上的氮化鎵 (GaN) 顯示出作為下一代半導(dǎo)體材料的前景，因?yàn)檫@兩種材料的帶隙都很寬，可實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性和金剛石的高導(dǎo)熱性，將其定位為卓越的散熱基板。已經(jīng)嘗試通過(guò)將兩種成分與某種形式的過(guò)渡層或粘附層結(jié)合來(lái)創(chuàng)建金剛石上的 GaN 結(jié)構(gòu)，但在這兩種情況下，附加層都顯著干擾了金剛石的導(dǎo)熱性 - 破壞了 GaN 金剛石的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)組合。

因此，需要一種可以直接集成金剛石和 GaN 的技術(shù)，大阪城市大學(xué) (OCU) 工程研究生院副教授、該研究的第一作者梁建波說(shuō)，但是，由于晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)的巨大差異，在 GaN 上直接生長(zhǎng)金剛石是不可能的，反之亦然。

在沒(méi)有任何中間層的情況下將兩個(gè)元件融合在一起，稱為晶圓直接鍵合，是解決這種不匹配問(wèn)題的一種方法。然而，為了產(chǎn)生足夠高的粘合強(qiáng)度，許多直接粘合方法需要在稱為后退火工藝的過(guò)程中將結(jié)構(gòu)加熱到極高的溫度（通常為 500℃）。由于熱膨脹不匹配，這通常會(huì)導(dǎo)致不同材料的粘合樣品出現(xiàn)裂紋——這一次，GaN-金剛石結(jié)構(gòu)無(wú)法在制造過(guò)程中經(jīng)歷的極高溫度下幸存下來(lái)。

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(xiàn)出很高的熱穩(wěn)定性和出色的實(shí)用性，研究負(fù)責(zé)人 Naoteru Shigekawa 教授說(shuō)。

正如本周在ADVANCED MATERIALS雜志上報(bào)道的那樣，Liang、Shigekawa 和他們來(lái)自東北大學(xué)、佐賀大學(xué)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(wěn)定。

SAB 通過(guò)原子清潔和激活鍵合表面在彼此接觸時(shí)發(fā)生反應(yīng)，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(xué)性質(zhì)與研究團(tuán)隊(duì)過(guò)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(shù)來(lái)測(cè)試鍵合位點(diǎn)或異質(zhì)界面的穩(wěn)定性. 為了表征異質(zhì)界面的 GaN 中的殘余應(yīng)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(zhì)界面的納米結(jié)構(gòu)和原子行為，電子能量損失光譜(EELS) 顯示了異質(zhì)界面處碳原子的化學(xué)鍵狀態(tài)，并在 N 2 中700℃下測(cè)試了異質(zhì)界面的熱穩(wěn)定性氣體環(huán)境壓力，這是基于 GaN 的功率器件制造工藝所必需的，梁說(shuō)。

結(jié)果表明，在異質(zhì)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(shuō)，隨著團(tuán)隊(duì)提高退火溫度，他們注意到層厚度減少，由于無(wú)定形碳直接轉(zhuǎn)化為金剛石。1000℃退火后，層數(shù)減少到1.5nm，表明通過(guò)優(yōu)化退火工藝可以完全去除中間層，教授繼續(xù)說(shuō)道。盡管異質(zhì)界面的抗壓強(qiáng)度數(shù)字隨著退火溫度的升高而提高，但它們與晶體生長(zhǎng)形成的金剛石上 GaN 結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度數(shù)字不匹配。

然而，由于在 1000℃ 退火后在異質(zhì)界面上沒(méi)有觀察到剝落，梁說(shuō)，這些結(jié)果表明 GaN/金剛石異質(zhì)界面可以承受嚴(yán)酷的制造工藝，氮化鎵晶體管的溫升受到抑制四個(gè)。

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