GaN-on-diamond是什么？

来源：翻译自 「eletimes」 ，谢谢。

当今社会对更强大的电子设备的需求受到我们生产高导电半导体的能力的限制，这些半导体可以承受高功率设备的严酷高温制造过程。

GaN-on-diamond显示出作为下一代半导体材料的前景，因为这两种材料的禁带宽度都很宽，可实现高导电性和金刚石的高导热性，将其定位为卓越的散热基板。已经尝试通过将两种成分与某种形式的过渡层或粘附层结合来创建diamond上的 GaN 结构，但在这两种情况下，附加层都显着影响了diamond的热导率——破坏了GaN-diamond的一个关键优势组合。

“因此，需要一种可以直接集成diamond和 GaN 的技术，”大阪市立大学 (OCU) 工程研究生院副教授兼该研究的研究人员Jianbo Liang说，“但是，由于晶体结构和晶格常数的巨大差异，在 GaN 上直接生长diamond是不可能的，反之亦然。”

无需任何中间层即可将两个元件熔合在一起，称为晶圆直接键合，是解决这种不匹配问题的一种方法。然而，为了产生足够高的粘合强度，许多直接粘合方法需要在称为后退火工艺的过程中将结构加热到极高的温度（通常为 500 摄氏度）。由于热膨胀失配，这通常会导致不同材料的粘合样品出现裂纹——这一次，GaN-diamond结构在制造过程中经历的极高温度下无法幸存。

“在之前的工作中，我们使用表面活化键合 (SAB) 在室温下成功地制造了与diamond的各种界面，所有界面都表现出很高的热稳定性和出色的实用性，”研究负责人 Naoteru Shigekawa 教授说。

来自东北大学、佐贺大学和 Adamant Namiki Precision Jewel 的 Liang、Shigekawa 和他们的同事。他们使用 SAB 方法成功键合 GaN 和diamond，并证明即使加热到 1000 摄氏度也能稳定键合。

SAB 通过原子清洁和激活键合表面在相互接触时发生反应，在室温下在不同材料之间建立高度牢固的键合。

由于 GaN 的化学性质与研究团队过去使用的材料完全不同，在他们使用 SAB 制造diamond基 GaN 材料后，他们使用了多种技术来测试键合位点或异质界面的稳定性. 为了表征异质界面的 GaN 中的残余应力，他们使用微拉曼光谱、透射电子显微镜 (TEM) 和能量色散 X 射线光谱揭示了异质界面的纳米结构和原子行为，电子 能量 损失光谱(EELS) 显示了异质界面处碳原子的化学键合状态，并在 N 2 中于 700 摄氏度测试了异质界面的热稳定性 气体环境压力，“这是基于 GaN 的功率器件制造工艺所必需的，”Liang说。

结果表明，在异质界面处形成了大约 5.3 nm 的中间层，它是非晶碳和diamond的混合物，其中分布有 Ga 和 N 原子。正如 Shigekawa 所说，随着团队提高退火温度，他们注意到层厚度减小，“由于无定形碳直接转化为金刚石”。在 1,000 摄氏度退火后，层减少到 1.5 nm，“表明可以通过优化退火工艺完全去除中间层，”教授继续说道。尽管异质界面的抗压强度数字随着退火温度的升高而提高，但它们与晶体生长形成的金刚石上 GaN 结构的抗压强度不匹配。

然而，“由于在1000摄氏度退火后异质界面上没有观察到剥落，”梁说，“这些结果表明，GaN/金刚石异质界面能够经受严酷的制造过程，氮化镓晶体管的温度上升被抑制了四倍。”

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