日本Osaka City University: 常温条件下将金刚石与磷化铟镓直接键合

DT半导体材料 2021-06-24 18:00


文章介绍了一种常温条件下将金刚石与磷化铟镓在空气中直接键合的新技术。这种技术在连接大直径金刚石与半导体材料方面有巨大的潜力…

文章导读


金刚石材料具有较高的热导率,在控制半导体器件温度上升方面有较为明显的优势。其在半导体的应用引起了越来越多的关注。


日本Osaka City University的梁剑波副教授以硫酸和双氧水混合溶液清洗金刚石基底与磷化铟镓,同时去除磷化铟镓表面的砷化镓层,然后将二者黏结在一起。在连接处形成了厚度约8 nm、由碳,铟,镓,磷,氧等原子组成的的原子混合层,且混合层没有界面空洞或机械裂缝。


在400 °C条件下对试样退火处理,没有在连接界面处发现剥落现象,但是观察到原子层的厚度增加2 nm。这对减轻由材料热膨胀系数不同所产生的热应力起到了重大的作用。


相关的成果以“Room temperature direct bonding of diamond and InGaP in atmospheric airs”为题,发表在Functional Diamond 杂志上。

研究背景


随着电子器件的高度集成化、小型化和高性能的快速发展,电子器件在运行过程中热量加剧,导致设备的可靠性和性能显著降低。热量主要通过衬底扩散,因此,寻找高导热性衬底是热管理的关键!

金刚石因被认为是抑制器件温度升高的最有潜力的材料之一,其热导率18-22 W/cmK,是目前自然界中热导率最高的物质。但由于金刚石与半导体衬底的晶格常数和热膨胀系数存失配,因此在Si、GaN、Ga2O3等半导体衬底上实现金刚石的低缺陷外延生长十分困难。其中,人们对GaN-on-diamond结构进行了广泛的研究,先通过在GaN背面沉积一个中间层(如SiN),然后再沉积金刚石,然而,这种方式沉积金刚石的晶体质量较低,大大降低了热导率。

另一种方式是通过晶圆键合技术,这可以允许具有不同晶格常数和热膨胀系数的材料无缝键合。有报道称,金刚石与Si和SiC在室温下通过原子扩散键合和表面活化键合(SAB)方法结合。然而,金属层的键合界面不适合于高频器件的应用,因为金属层的电阻率非常低,因此会产生较大的寄生电容。金刚石和GaN的室温结合使用硅非晶层SAB方法已被证明。

此外,也有报道使用SAB方法在室温下直接结合金刚石和硅,在SAB中,基底表面在超高真空条件下被Ar原子束辐照活化,然后通过施加压力使活化表面接触在一起。虽然该方法在不加热的情况下使键合界面具有较高的键合强度,但需要小于1 × 105 Pa的超高真空和平均粗糙度小于1 nm的高平整度衬底。

近年来,报道了真空条件下用NH3/H2O2混合溶液清洗的金刚石与在氧等离子体活化Si上形成的SiO2的亲水性键合。然而,由于金刚石/SiO2键合界面不能承受器件制造过程所需的退火温度,因此很难应用于器件制造。

对于金刚石和半导体材料的结合,最理想的结合方式是室温、常压下,不需要实验条件,最重要的是键合界面能否经受住器件制造过程的考验,因为在粘接过程中,必须对粘接基板表面进行活化处理。因此,如果基板表面能被化学物质激活,则基板可在常温大气空气中直接粘结。晶格与砷化镓匹配的InGaP已广泛应用于大功率、高频器件中,而且InGaP或GaAs可以很容易地用选择性的化学物质除去。

在这项工作中,我们探索了一种在大气中室温结合金刚石和InGaP的新技术。利用x射线光电子能谱(XPS)和原子力显微镜(AFM)对键合材料表面的化学键合状态和表面形貌进行了表征。采用透射电子显微镜(TEM)和x射线能谱(EDX)研究了400°C退火后材料的界面结构和原子扩散情况。

图文详情




图1:(a)金刚石与InGaP室温键合过程示意图。(b,c)金刚石和InGaP表面的AFM图像。(c)金刚石/InGaP结合样品表面的光学显微镜图像。

图2:(a)金刚石的C1s和O1s谱图,(c) In3d, (d) Ga2P, (e) P2p, (f) InGaP的O1s谱图

图3:退火前图谱:(a)低倍显微镜下截面TEM图;(b)沿InGaP[001]向的HRTEM图;(c)沿金刚石[001]向的HRTEM图,(d) EDS图谱,以及(e)退火前键合界面C、P、In、Ga和O元素的x射线强度分布。

图4:退火后图谱:(a)低倍显微镜下截面TEM图;(b)沿InGaP[001]向的HRTEM图;(c)沿金刚石[001]向的HRTEM图,(d) EDS图谱,以及(e)退火后键合界面C、P、In、Ga和O元素的x射线强度分布。

结  论


本文介绍了一种在常压室温下金刚石和InGaP直接键合新技术。虽然InGaP表面的Ra值为2.93 nm,但金刚石/InGaP结合界面没有出现空洞和裂纹。结合界面处形成了由C、In、Ga、P、O原子组成的原子混合层。复合层厚度约为8 nm,在400℃退火后,复合层厚度增加到10 nm。金刚石与InGaP之间的热膨胀系数不匹配没有引起界面剥落或机械裂纹。该粘接界面对器件的制备工艺具有良好的热稳定性。这些结果表明,该键合方法可以应用于金刚石和半导体材料的大直径晶圆键合。

作者简介


梁剑波

大阪市立大学物理电子与信息学系副教授

梁剑波博士,现任大阪市立大学物理电子与信息学系副教授,主要从事常温条件下各种半导体材料的直接键合应用于先进半导体器件的制作以及键合界面特性的研究。梁剑波研究团队成功通过异种材料的常温接合制作出高效率、低成本的InGaP/GaAs/Si 串联式太阳能电池;首次在常温条件下实现Si和SiC的直接键合,并成功演示Si/SiC异质结双极晶体管的制作。并且首次在常温条件下实现了半导体材料Si,GaAs, GaN与金刚石的直接键合,键合后的异质界面显示出卓越的耐高温性能。

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