材料往往因特定優勢而聞名。金剛石正因(yin)為(wei)在室溫下具有最高(gao)的(de)熱導率(lv)（2000W/m.K)，兼(jian)具帶隙寬、擊穿場強(qiang)高(gao)、載流子(zi)遷移率(lv)高(gao)、耐(nai)高(gao)溫、抗酸堿、抗腐(fu)蝕、抗輻照(zhao)等優越性能(neng)，而在高(gao)功率(lv)、高(gao)頻、高(gao)溫領(ling)域(yu)有至(zhi)關重要的(de)應用。金剛石，已被認為(wei)是目前(qian)最有發展前(qian)途的(de)寬禁帶半導體材(cai)料之(zhi)一。

       美國國防部(bu)高級(ji)研究計(ji)劃局（DARPA）微系(xi)統技術辦(ban)公室主任Mark Rosker在去年舉辦(ban)的(de)CS Mantech上表示，化合物半導體行(xing)業將(jiang)很(hen)快進入第三波(bo)材料技術浪潮(chao)。這個時代(dai)將(jiang)看到由不同材料組(zu)合制造的(de)器(qi)件。

圖1.Rosker 認(ren)為，第(di)三次浪潮(chao)現在開始出現，器件采(cai)用突變結和(he)具有不同晶格(ge)常數的高性能(neng)材(cai)料(liao)。

       ;為了(le)(le)說明第三波器件可能是(shi)什么樣子，Rosker 強調了(le)(le)一(yi)種(zhong)由威斯(si)康星大學麥迪遜分(fen)校和密(mi)歇根州立大學合(he)(he)作創新(xin)的(de)新(xin)型HBT器件。使用在同質(zhi)襯底上生長(chang)的(de) AlGaAs/GaAs膜轉移，該團(tuan)隊(dui)構建了(le)(le)帶有金剛石(shi)襯底、p 型金剛石(shi)集電(dian)極(ji)、Al2O3中間層(ceng)和提供發射(she)極(ji)和基極(ji)結的(de) AlGaAs 層(ceng)的(de)HBT（見圖 1）。通過采(cai)用嫁接技術，工程師克服了(le)(le) GaAs 基層(ceng)和金剛石(shi)之間 37% 的(de)晶格失配。這是(shi)一(yi)項突破，為將HBT的(de)一(yi)些傳統優(you)點與金剛石(shi)出色的(de)散熱能力以及可提高晶體管(guan)擊(ji)穿電(dian)壓的(de)更(geng)高帶隙(xi)相結合(he)(he)打(da)開了(le)(le)大門。

       鍵合晶圓

       將不同的(de)化合(he)(he)物(wu)半導體材料組合(he)(he)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起的(de)更(geng)成熟的(de)方法(fa)(fa)是直(zhi)接晶圓鍵(jian)合(he)(he)。這種方法(fa)(fa)的(de)一(yi)(yi)種變體，稱為表面活化鍵(jian)合(he)(he)，具(ju)有(you)很大的(de)吸引力，因為它不需要任何(he)濕法(fa)(fa)處(chu)理(li)，晶片在(zai)(zai)室溫下鍵(jian)合(he)(he)在(zai)(zai)一(yi)(yi)起。

       Akash 是金剛石基GaN的(de)(de)先驅(qu)，為(wei)了(le)用這種技術將(jiang)材料結合在一(yi)起，晶片被(bei)裝入一(yi)個真空室，真空室被(bei)抽至10-6帕左右(you)，然后用中性原子(zi)束（通(tong)常(chang)是氬）轟(hong)擊晶片表面，原子(zi)束被(bei)加速1-2千伏(fu)。這些碰撞消(xiao)除了(le)天然氧化(hua)物(wu)并產(chan)生(sheng)了(le)活化(hua)表面。然后將(jiang)成對(dui)的(de)(de)晶片壓(ya)在一(yi)起，通(tong)常(chang)鍵(jian)合壓(ya)力(li)約(yue)為(wei)10 MPa（見圖(tu)2）。

圖2.在真空條件下工作，用快速原子束 (FAB) 轟擊晶圓(yuan)去(qu)除了(le)原生氧化物(wu)，形(xing)成了(le)一個用于鍵(jian)合(he)的(de)表面。

       在CS Mantech大會上(shang)，大阪城市(shi)大學（Osaka City University）的(de)小組(zu)負責人、這種(zhong)晶圓鍵合(he)方(fang)面的(de)專家(jia)Naoteru Shigekawa概(gai)述了(le)優化這種(zhong)工藝(yi)的(de)標準，然(ran)后用新型(xing)器(qi)件的(de)例子(zi)說明(ming)了(le)其能力。雖然(ran)他的(de)器(qi)件僅限于連(lian)接直徑不超過2英寸的(de)晶圓，但他很快指(zhi)出，有可(ke)用的(de)商用工具，適用于300毫米晶圓的(de)高通量鍵合(he)。

       Shigekawa 告訴與會者，晶圓的表面粗糙度會影響鍵合良率。他的團隊的實驗表明，要成功鍵合，表面粗糙度值Ra必須低于1 nm，理想情況下小于該值的一半。外延片往往遠高于此值，但拋光會使它們的表面變(bian)平，從而實現(xian)成功的鍵合（見圖(tu)3）。

圖3.晶片的(de)(de)平整度決定了鍵合良率。拋光(guang)可(ke)降低(di)粗糙度，并(bing)增(zeng)加(jia)高質量鍵合的(de)(de)機會(hui)。

       應用這種(zhong)形式(shi)的鍵合(he)時(shi)需要小心，因為(wei)表面(mian)(mian)活化會導致干蝕(shi)刻(ke)，這會增加表面(mian)(mian)粗糙度(du)并降低(di)產量。蝕(shi)刻(ke)的另一個缺點(dian)是(shi)它引入(ru)了(le)中間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙(xi)(xi)狀(zhuang)態。“我們假設這種(zhong)中間(jian)(jian)間(jian)(jian)隙(xi)(xi)狀(zhuang)態對鍵合(he)界(jie)面(mian)(mian)的電氣特性(xing)有負面(mian)(mian)影響，”Shigekawa說，他補充說，一種(zhong)解決方案是(shi)鍵合(he)后(hou)退火，這可(ke)以導致界(jie)面(mian)(mian)特性(xing)的恢復(fu)。

       為了說(shuo)明這一點，Shigekawa 展(zhan)示了鍵合(he)硅和 GaAs 晶片的透(tou)射(she)電子顯(xian)微(wei)鏡。在(zai)退(tui)火之前(qian)，界面處(chu)有一個類似非晶的過渡層(ceng)。在(zai) 300℃下退(tui)火會(hui)導致該層(ceng)收縮(suo)，而(er)在(zai) 400℃下它會(hui)由于再結晶而(er)消失。

       Shigekawa 及其同事還(huan)使用電學測(ce)量來評估(gu)退火(huo)如何調整界面(mian)特性(xing)。對通過(guo)將(jiang)兩(liang)個(ge)n型硅(gui)晶(jing)片鍵合(he)在一起(qi)(qi)以及通過(guo)將(jiang)兩(liang)個(ge)p型硅(gui)晶(jing)片鍵合(he)在一起(qi)(qi)形成的(de)結進(jin)行的(de)研究表明，在1000℃下退火(huo)10分鐘會將(jiang)界面(mian)態密(mi)度從 1013cm-2eV-1左(zuo)右(you)降(jiang)低到(dao)此值的(de)五分之一。

       大(da)阪城(cheng)市大(da)學的(de)團隊已(yi)經生產了一(yi)系列具有晶圓鍵合的(de)新型器(qi)件(jian)，包括多結(jie)太陽能電池(chi)、具有寬帶隙和窄帶隙材(cai)料之間結(jie)的(de)功率器(qi)件(jian)，以及具有金(jin)剛(gang)石(shi)層以增加電流(liu)擴散的(de)場效應晶體(ti)管。對于后者，器(qi)件(jian)是(shi)通過將(jiang)金(jin)剛(gang)石(shi)直接鍵合到(dao)(dao)半導(dao)體(ti)材(cai)料上形成的(de)，一(yi)種是(shi)硅，另一(yi)種是(shi) GaA，并(bing)將(jiang)金(jin)剛(gang)石(shi)鍵合到(dao)(dao)散熱器(qi)上。新架(jia)構有望大(da)幅降低熱阻(zu)。

       使用(yong)(yong)熱成(cheng)像儀(yi)，Shigekawa 和同事測量了(le)他們結點的熱阻(zu)。為了(le)提供基準，他們使用(yong)(yong)了(le)熱阻(zu)為35 K/W的鍵合 GaAs-藍(lan)寶石結（見圖(tu) 4）。相比之(zhi)下(xia)，GaAs-金剛(gang)石結的電阻(zu)僅為 6 K/W，這(zhe)就允許器件在不過熱的情況下(xia)更穩定可靠工作(zuo)，或者(zhe)采(cai)用(yong)(yong)更簡單的熱管理方法。

圖4.與(yu)藍寶石(shi)相比(bi)，金剛石(shi)具(ju)有極高的導(dao)熱(re)性，可降(jiang)低該結(jie)處的熱(re)阻。

   ;    研究人員(yuan)還考慮了將(jiang) GaN 與金剛石鍵合。布里斯托大學的(de) Martin Kuball 團隊對這些結構(gou)進行了微拉曼測量，結果(guo)表明這些結構(gou)內的(de)應力(li)與硅基 GaN 的(de)應力(li)相似。

       金剛石散熱

       加利福尼亞州舊金(jin)山的(de)(de) Akash Systems 致力于開發用(yong)于衛星通(tong)信的(de)(de)金(jin)剛(gang)石GaN晶體(ti)管、功率放大器和無線電。在(zai)這種環境下，散(san)熱(re)的(de)(de)唯一機制(zhi)是輻(fu)射。使用(yong)金(jin)剛(gang)石基氮(dan)化鎵，熱(re)量從HEMT的(de)(de)通(tong)道中排出的(de)(de)速度(du)比使用(yong) SiC上GaN 快(kuai)得多，從而允許更高(gao)的(de)(de)襯底溫(wen)度(du) - 最終(zhong)通(tong)過輻(fu)射更好地散(san)熱(re)。

       請注意，通(tong)過(guo)降低器件的(de)(de)強度(du)來(lai)避免(mian)高溫并不是(shi)一個很(hen)好的(de)(de)折衷方案(an)，因為(wei)這(zhe)會降低數據傳(chuan)輸(shu)速率。說明這(zhe)一點的(de)(de)是(shi) Akash 的(de)(de)產品之(zhi)一，金剛(gang)石GaN 無線(xian)電(dian)，它采用 10 厘米×10 厘米×3 厘米的(de)(de)封裝，當放置(zhi)在 550 公(gong)里的(de)(de)高度(du)時，可以提供超(chao)過(guo) 600 Mbit/s的(de)(de)數據速率 – 這(zhe)是(shi)100 MHz信道(dao)中(zhong)8 GHz左右的(de)(de)傳(chuan)統SiC上GaN技術速率的(de)(de)五(wu)倍多。

       在(zai)Akash，工程師(shi)們將未加工的(de)(de)(de)硅(gui)基GaN外延(yan)片的(de)(de)(de)外延(yan)面連接到一(yi)個臨時(shi)載體(ti)，移除硅(gui)襯底，在(zai)該處生長一(yi)層金(jin)剛(gang)石(shi)，然后(hou)移除臨時(shi)載體(ti)來形成新器件。由于沉積(ji)的(de)(de)(de)金(jin)剛(gang)石(shi)形成了一(yi)個相當粗(cu)糙的(de)(de)(de)層，因此(ci)必須對其(qi)進行(xing)拋光。將臨時(shi)載體(ti)連接到外延(yan)片的(de)(de)(de)選(xuan)項包括(kuo)擴(kuo)散(san)鍵合(he)和等離(li)子體(ti)激活鍵合(he)。但在(zai) Akash，出(chu)于多(duo)種原因，他(ta)們更喜歡玻璃熔(rong)塊(kuai)鍵合(he)（也(ye)稱為玻璃焊接）（見表 1）。熔(rong)塊(kuai)鍵合(he)的(de)(de)(de)主要(yao)屬性是它可以應(ying)用于完整的(de)(de)(de)晶片，它在(zai)隨后(hou)用于金(jin)剛(gang)石(shi)生長的(de)(de)(de)高(gao)溫下保(bao)持其(qi)強度，并且它可以適應(ying) GaN 中的(de)(de)(de)彎曲、翹曲和缺(que)陷。

表1. Akash 的工程師在生產金剛石GaN 器件時采用玻璃熔(rong)塊工藝的原因(yin)有很多。

       Francis 解釋說(shuo)，通過熔(rong)化玻璃，它(ta)們(men)可(ke)以(yi)滿足(zu)表面粗糙度和彎曲度。“因為你(ni)把玻璃做得足(zu)夠厚(hou)，你(ni)可(ke)以(yi)為5微米的缺陷提供一定程度的粗糙度，而不會有太多(duo)麻煩。”

       Akash 的(de)團(tuan)(tuan)隊(dui)與布里(li)斯(si)托爾大學的(de) Kuball 團(tuan)(tuan)隊(dui)合(he)作，量化了(le)去(qu)(qu)除(chu)過渡層(ceng)所帶來的(de)散熱(re)(re)改進(jin)。這些(xie)過渡層(ceng)受到其三元性質以及眾多缺陷的(de)阻礙（見(jian)圖(tu)5）。熱(re)(re)導率通常為(wei)15W/m.K，比GaN的(de)值低約10倍。為(wei)了(le)避免這個問題，Akash 在添加導熱(re)(re)系數為(wei)1600W/m.K的(de)金剛石之前去(qu)(qu)除(chu)了(le)這些(xie)過渡層(ceng)。

圖5.Akash 使用硅基GaN HEMT 作為生產其金(jin)剛(gang)石基GaN器件(jian)的起點(dian)。硅基 GaN 的透射電子顯微鏡圖像，顯示過渡(du)層（左）和金(jin)剛(gang)石基 GaN（右）中的缺陷密度非常高。

       在 GaN 上沉積高質(zhi)量的(de)(de)金(jin)(jin)剛石層(ceng)并(bing)不容易。金(jin)(jin)剛石層(ceng)有侵(qin)擾 GaN 的(de)(de)趨勢，在界面(mian)形(xing)成爆米(mi)花狀的(de)(de)納(na)米(mi)級結構。解決(jue)方案是添加一層(ceng)SiN。由(you)于其導熱(re)系數非常低(di)，因此需要盡可能薄(bo)，同時仍能確保優質(zhi)的(de)(de)金(jin)(jin)剛石薄(bo)膜。Francis表示(shi)，在考慮器件性能和一致性時，25 nm 左右(you)的(de)(de)厚度會(hui)產(chan)生最佳結果(guo)。

       由于沉(chen)積的(de)(de)金剛石(shi)形成數十微米大小的(de)(de)顆(ke)粒(li)，因此需要拋(pao)光工藝以確保(bao)表(biao)面光滑。第一步(bu)將峰(feng)谷粗(cu)糙度(du)變化從30μm減少到5μm，然后第二步(bu)將表(biao)面粗(cu)糙度(du)降低到 0.5μm。應用這兩(liang)個步(bu)驟會修整(zheng)鉆(zhan)石(shi)的(de)(de)總厚(hou)度(du)，從大約200微米降至105微米。

       Francis 及其同(tong)事將 GaN-on-SiC HEMT的(de)(de)性能(neng)與基(ji)于(yu)(yu)(yu)金(jin)剛(gang)石的(de)(de) GaN HEMT的(de)(de)性能(neng)進行了比(bi)較。前者的(de)(de)測(ce)量結果(guo)是(shi)，柵(zha)極(ji)長(chang)度(du)為(wei)150 nm、工作頻率(lv)為(wei)20 GHz、效率(lv)為(wei)25%的(de)(de)器(qi)件，當通道(dao)溫度(du)為(wei)200℃時，襯底溫度(du)為(wei) 25℃。對于(yu)(yu)(yu)金(jin)剛(gang)石基(ji) GaN 變體，由于(yu)(yu)(yu)該(gai)團(tuan)隊尚未完善 150 nm工藝，因此采用了250 nm的(de)(de)柵(zha)極(ji)長(chang)度(du)。較大(da)的(de)(de)柵(zha)極(ji)將效率(lv)降低到20%。然而，令人鼓舞的(de)(de)是(shi)，對于(yu)(yu)(yu) 200℃的(de)(de)通道(dao)溫度(du)，基(ji)板溫度(du)可以高達100℃，從而允許器(qi)件在(zai)不需要主(zhu)動冷卻的(de)(de)情況下(xia)在(zai)太空中(zhong)運行。

       這一有希望的結果，就像 Rosker 描述的那些器(qi)(qi)(qi)件(jian)——以及麻省理工學(xue)院和大(da)阪城市大(da)學(xue)制造(zao)的那些器(qi)(qi)(qi)件(jian)——讓我們(men)看到了未來可(ke)能發生的事(shi)情。當器(qi)(qi)(qi)件(jian)使用不同的材料時，許多門都可(ke)以打開，這有助(zhu)于將我們(men)行業的重要性提升到一個全(quan)新的水平(ping)。