日本大阪市立大学梁剑波教授团队《Adv. Mater.》:氮化镓/金刚石异质界面的制备及界面化学键合状态的高效器件设计

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氮化镓(GaN)半导体在射频和高功率器件应用方面得到了广泛研究。然而，在高功率运行时，GaN器件的输出功率受到自热的限制。积累的热量会导致器件温度升高，从而降低器件的性能和可靠性。金刚石拥有最高的导热性，使其成为一种优越的散热衬底。研究人员曾试图通过将GaN和金刚石用某种形式的过渡层或粘附层结合，来创造一种GaN-on-diamond结构，但在这两种情况下，额外的中间层都严重干扰了金刚石的导热性，从而破坏了GaN-diamond组合的一个关键优势。因此，需要一种可以直接集成钻石和氮化镓的技术。然而，由于它们的晶体结构和晶格常数的巨大差异，在GaN上直接生长金刚石或，在金刚石生长GaN极其困难。 日本大阪市立大学梁剑波教授团队在室温条件下，使用表面活化键合法将硅衬底上外延生长的氮化镓层成功地结合到10 × 10 mm的金刚石衬底上，而不使用中间层。从透明的钻石侧面拍摄的照片显示，整个氮化镓层成功地与钻石完美结合（图 1）。去除Si衬底后，在氮气氛中对GaN薄层/金刚石进行热处理，通过高达1000°C的热处理确认键合得以保持。我们还观察了热处理前后GaN/金刚石结界面的透射电镜(TEM)，以阐明热处理温度与结界面纳米结构的相关性。热处理前和1000℃热处理后界面的横截面TEM图像如图 2所示。热处理前在异质界面处形成了约5.3 nm的非晶态碳和金刚石混合物的中间层（图 1（a）），在 1,000°C 热处理后，非晶态碳和金刚石混合物中间层减少到1.5 nm（图 1（b））。通过分析界面处C原子、Ga原子、N原子的分布和C原子间的结合状态调查结果表明，非晶态中间层厚度的降低是由非晶态碳在结合界面直接转化为金刚石引起的。相关工作以 “Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design”为题，发表于《Advanced Materials》。 
图1 GaN/Diamond键合样品光学图片和键合样品的截面示意图 
图2 (a) 熱处理前和 (b) 1000℃热处理后GaN/Diamond界面的截面TEM图像。
由于键合界面可以承受1000°C的热处理，因此通过对与金刚石键合的GaN层进行加工，有望实现金刚石的热导率最大化的GaN器件。通过提高元件性能和简化散热机制，系统可以做得更小、更轻。目前，我们正在进行大面积键合、界面热传导特性评估、直接与金刚石键合的GaN层晶体管的试制、实用散热演示等研究开发。

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Jianbo Liang, Ayaka Kobayashi, Yasuo Shimizu, Yutaka Ohno, Seong-Woo Kim, Koji Koyama, Makoto Kasu, Yasuyoshi Nagai, and Naoteru Shigekawa, Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design, Adv. Mater. 33, 2104564 (2021).  

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

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