梁劍波教授：金剛石是GaN最好的朋友！實現(xiàn)GaN與金剛石的直接鍵合，有望解決半導體發(fā)熱問題

自從2012年梁劍波教授加入大阪市立大學（2020年，大阪市立大學和大阪府立大學進行合并，更名為日本大阪公立大學）以來，“GaN/金剛石/Ga2O3、鍵合工藝、界面研究、異質(zhì)結(jié)、界面熱阻、熱管理……”成為其主頁標簽。

2013-2016年，梁劍波研究團隊成功通過異種材料的常溫接合制作出高效率、低成本的InGaP/GaAs/Si串聯(lián)式太陽能電池；2018年至今，梁劍波研究團隊在金剛石與GaN的常溫鍵合領域做出頗多工作與成果，例如首次在常溫條件下實現(xiàn)Si和SiC的直接鍵合，并成功演示Si/SiC異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的制作；首次在常溫條件下實現(xiàn)了半導體材料Si，GaAs，GaN與金剛石的直接鍵合，鍵合后的異質(zhì)界面顯示出卓越的耐高溫性能……。

目前，梁劍波，現(xiàn)任大阪公立大學副教授及博士生導師，主要專注于金剛石與異質(zhì)半導體材料的直接鍵合、高導熱異質(zhì)界面、異質(zhì)界面的晶體結(jié)構(gòu)以及大功率高效新型半導體器件的研發(fā)。近年來，主持了多個研發(fā)項目，包括由日本學術振興會（JSPC）、日本國立研究開發(fā)法人新能源?產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）、日本科學技術振興機構(gòu)（JST）等機構(gòu)資助的國家重點研發(fā)課題，以及企業(yè)合作研發(fā)項目，共計12項。其中，部分成果已成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

同時，與國內(nèi)外10余家著名科研院所展開多個項目和技術合作，促進了國際科研交流。作為第一作者、通訊作者或指導學生，在國際著名刊物如?"Adv. Mater."，"Nat. Com"，"Small"，"Appl. Phys. Lett"等發(fā)表了150余篇論文，同時申請了12項專利，并撰寫了8部專著。曾在41次國際學術會議上發(fā)表演講，并受邀在14次國際學術會議上作報告。在國際會議上，多次榮獲了最佳發(fā)表獎，并在大阪市立大學南部陽一郎（諾貝爾物理學獎獲得者）頒發(fā)的優(yōu)秀研究獎和著名刊物優(yōu)秀審稿獎等多個獎項的認可。目前擔任"Functional Diamond"和?"Science Talks"?期刊的編委，同時兼任?"Adv. Mater."，"ACS Appl. Mater. Inter."，"ACS Nano Lett."，"Appl. Phys. Lett"等13家國際期刊的審稿人。

??? “金剛石與GaN的常溫鍵合”是其近年來的主要研究方向之一。

在之前的研究中，梁劍波教授團隊已經(jīng)證明了GaN和金剛石在室溫下通過表面活化鍵合（SAB）方法能夠直接鍵合，GaN/金剛石鍵合界面實現(xiàn)了1000°C的熱處理下仍保持鍵合狀態(tài)，并且對于GaN基器件具有優(yōu)異的實用性。然而，晶片直接鍵合技術要求鍵合材料具有非常高的表面平整度。隨后，該團隊對大面積鍵合、界面熱傳導特性評估、直接與金剛石鍵合的GaN層晶體管的試制、實用散熱演示等研究進行詳細開發(fā)，并取得系列成果。（Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design, Adv. Mater. 33, 2104564 （2021））

GaN/Diamond鍵合樣品光學圖片和鍵合樣品的截面示意圖

2022年，梁劍波教授團隊，通過沉積7 nm厚的非晶SiC作為中間介質(zhì)，大大降低SAB技術對金剛石表面粗糙度的要求。1000 ℃熱處理后形成的SiC層厚度略有增加，這是因為SiC層中由游離的Si和C生成SiC，且非晶SiC在熱處理后變成多晶結(jié)構(gòu)。即使高溫處理后鍵合界面處也沒有觀察到空隙，這表明金剛石-SiC的鍵合界面具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，SiC層的沉積可以降低對金剛石表面粗糙度的要求，促進多晶金剛石和半導體材料的室溫鍵合。

相關的成果以“Room-temperature bonding of GaN and Diamond via a SiC layer”為題，發(fā)表在《Functional Diamond》雜志上。

2023年，大阪公立大學工學研究生院梁劍波教授和Naoteru Shigekawa共同領導的研究團隊成功在金剛石襯底上制造出GaN HEMT。研究團隊發(fā)現(xiàn)，與SiC襯底上制造的相同形狀晶體管相比，這項技術的散熱性能翻了兩倍多。為了最大限度利用金剛石的高熱導率，研究人員在GaN和金剛石之間集成了3C-SiC層（一種立方多型體SiC）。

采用SAB法將硅襯底上生長的AlGaN/GaN/3C-SiC薄膜有效地轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上，并在金剛石襯底上成功地制備了GaN-HEMT。鍵合界面表現(xiàn)出非凡的堅固性，能夠承受各種器件制造工藝。即使在1100°C退火后也沒有觀察到3C-SiC/金剛石鍵合界面的剝落，這對于金剛石上高質(zhì)量的GaN晶體生長至關重要。3C SiC/金剛石界面處的熱邊界電導測量值為119 W/m2?K，這該技術大大降低了界面的熱阻，提高散熱性能。

相關研究成果以“High Thermal Stability and Low Thermal Resistance of Large Area GaN/3C-SiC/Diamond Junctions for Practical Device Processes”為題發(fā)表于《Small》。

梁劍波教授表示：“這項新技術有望大幅減少二氧化碳排放，并可能通過改進的熱管理能力徹底改變功率及射頻電子的發(fā)展?！?/p>

????GaN HEMT助力電力電子系統(tǒng)朝著更高的效率和功率密度前進。

那么，他們所研究的金剛石與氮化鎵鍵合究竟有著怎樣的實際意義？這就不得不提GaN器件存在的意義。

一般禁帶寬度大于2 eV的半導體稱為寬禁帶半導體，也稱為第三代半導體。

氮化鎵（gallium nitride，GaN）作為第三代半導體材料，具有優(yōu)異的材料特性，如禁帶寬度大、擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等。GaN電力電子器件主要以GaN高電子遷移率晶體管（high electron mobility transistor，HEMT）為主。由于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)界面存在高密度的二維電子氣（2DEG），所以GaN HEMT具有高電子遷移率、耐高溫、耐高壓、抗輻射能力強等優(yōu)越性質(zhì)，可以用較少的電能消耗獲得更高的運行能力。這些特性使得電力，電子系統(tǒng)朝著更高的效率和功率密度前進。

????散熱問題，制約GaN基功率器件進一步發(fā)展和廣泛應用的主要技術瓶頸之一。

在高功率運行時，GaN器件的輸出功率受到自熱的限制，一般其功率密度往往只能達到8-10 W?mm-1。另外，GaN的性能和可靠性與溝道上的溫度和焦耳熱效應有關。尤其是，近年來，隨著GaN微波功率器件的設計和工藝不斷提高和改進，其理論輸出功率越來越高（4 GHz，~40 W/mm），頻率越來越大，體積越來越小，其可靠性和穩(wěn)定性受到嚴重挑戰(zhàn)。最主要的原因是GaN基功率器件隨著功率密度的增加，芯片有源區(qū)的熱積累效應迅速增加，導致其各項性能指標迅速惡化，使其大功率優(yōu)勢未能充分發(fā)揮。因此，散熱問題成為制約GaN基功率器件進一步發(fā)展和廣泛應用的主要技術瓶頸之一。受傳統(tǒng)封裝散熱技術的限制無法解決這一難題，必須從GaN器件近端結(jié)熱區(qū)著手提升其熱傳輸能力，因此探討GaN基器件的高效散熱課題成為其進一步推進GaN器件發(fā)展的重要方向。

????金剛石，逐漸成為GaN器件熱沉材料的首選。

GaN功率器件一般是在Si襯底上制備的，原始襯底較低的熱導率（Si:150 W?mK-1）不能滿足器件散熱的要求，致使器件性能嚴重退化，極大的限制了GaN基功率器件的應用。集成到GaN中的SiC和金剛石等襯底可以改善熱管理。這使得降低設備的工作溫度成為可能。對于GaN-on-SiC器件，溝道溫度降低25度將使器件壽命提高10倍左右。對于導熱率更高的金剛石襯底，其導熱系數(shù)是硅的14倍，電場電阻是硅的30倍。高導熱性允許熱量擴散。金剛石的帶隙為5.47ev，擊穿場強為10 mv/cm，電子遷移率為2200 cm2其導熱系數(shù)約為21 w/cm·K，在金剛石襯底上制造的GaN HEMT具有最大漏極電流和最低表面溫度。此外，與其他類似結(jié)構(gòu)相比，金剛石襯底上的GaN HEMT與SiC相比熱阻降低率最為顯著，金剛石逐漸成為GaN器件熱沉材料的首選。

各種襯底材料及GaN的常見性能

????如何將金剛石與GaN集成？

使用金剛石能有效提高GaN器件近結(jié)區(qū)散熱能力，降低峰值溫度，大大提高器件的可靠性。但如何將金剛石與GaN集成成為難點。目前已經(jīng)報道的金剛石與GaN的集成方法主要分為三類：

（1）在金剛石上生長GaN。由于兩種材料之間大的晶格失配，以及熱膨脹系數(shù)差異，在金剛石上生長高質(zhì)量的GaN相當困難，且生長金剛石后的GaN容易形成高密度位錯甚至破裂；

（2）在GaN上生長金剛石。在GaN上生長金剛石往往需要在800℃甚至更高溫度條件進行，高溫工藝容易造成晶圓翹曲以及破裂，并且沉積金剛石前需要先沉積一層介電層，介電層會造成金剛石形核質(zhì)量差，且形核層熱導率低，使得界面熱阻較高；

（3）金剛石與GaN的鍵合。金剛石和GaN的鍵合是一個并行的過程，可以分別制備GaN層和金剛石襯底，低溫鍵合技術可以避免高溫生長產(chǎn)生的晶格失配和熱膨脹系數(shù)的差異，也不用考慮形核層熱導率低的問題。選擇質(zhì)量更好，熱導率更高的金剛石作為鍵合材料，能夠最大限度的提高散熱能力。

????大阪團隊：GaN On Diamond，金剛石是GaN最好的朋友

GaN-on-Diamond顯示出作為下一代半導體材料的前景，因為這兩種材料的禁帶寬度都很寬，可實現(xiàn)高導電性和金剛石的高導熱性，將其定位為卓越的散熱基板。研究人員曾試圖通過將GaN和金剛石用某種形式的過渡層或粘附層結(jié)合，來創(chuàng)造一種GaN-on-Diamond結(jié)構(gòu)，但在這兩種情況下，額外的中間層都嚴重干擾了金剛石的導熱性，從而破壞了GaN-Diamond組合的一個關鍵優(yōu)勢。因此，需要一種可以直接集成鉆石和氮化鎵的技術。然而，由于它們的晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)的巨大差異，在GaN上直接生長金剛石或在金剛石生長GaN極其困難。

“因此，需要一種可以直接集成Diamond和GaN的技術，”梁劍波教授解釋道，“由于兩種晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)的巨大差異，在GaN上直接生長Diamond是不可能的，反之亦然?！?/p>

無需任何中間層即可將兩個元件熔合在一起，稱為晶圓直接鍵合，是解決這種不匹配問題的一種方法。然而，為了產(chǎn)生足夠高的粘合強度，許多直接粘合方法需要在稱為后退火工藝的過程中將結(jié)構(gòu)加熱到極高的溫度。由于熱膨脹失配，這通常會導致不同材料的粘合樣品出現(xiàn)裂紋——GaN-Diamond結(jié)構(gòu)在制造過程中經(jīng)歷的極高溫度下無法幸存。

2021年，梁劍波教授研究團隊使用表面活化鍵合（SAB）在室溫下成功地制造了與Diamond的各種界面，所有界面都表現(xiàn)出很高的熱穩(wěn)定性和出色的實用性。據(jù)了解，SAB法是通過原子清潔和激活鍵合表面在相互接觸時發(fā)生反應，在室溫下在不同材料之間建立高度牢固的鍵合。

由于GaN的化學性質(zhì)與大阪研究團隊過去使用的材料完全不同，在他們使用SAB制造Diamond基GaN材料后，他們使用了多種技術來測試鍵合位點或異質(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鍵合狀態(tài)，并在N2中于700攝氏度測試了異質(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，”梁劍波教授在過去的采訪中說道。

“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Diamond的混合物，其中分布有Ga和N原子。隨著團隊提高退火溫度，我們注意到中間層厚度減小，由于無定形碳直接轉(zhuǎn)化為金剛石。在1000攝氏度退火后，層減少到1.5 nm，這表明可以通過優(yōu)化退火工藝完全去除中間層，”梁劍波教授解釋道?！氨M管異質(zhì)界面的抗壓強度數(shù)字隨著退火溫度的升高而提高，但它們與晶體生長形成的金剛石上GaN結(jié)構(gòu)的抗壓強度不匹配。由于在1000攝氏度退火后異質(zhì)界面上沒有觀察到剝落，這些結(jié)果表明，GaN/金剛石異質(zhì)界面能夠經(jīng)受嚴酷的制造過程，氮化鎵晶體管的溫度上升被抑制了四倍?！?/p>

在最新的研究進展中，目前梁劍波教授團隊已成功將AlGaN/GaN/3C-SiC層從硅轉(zhuǎn)移到大型金剛石襯底上，并在金剛石上制備了GaN高電子遷移率晶體管（HEMTs）。值得注意的是，在1100°C的高溫退火后，3C-SiC/金剛石結(jié)合界面未發(fā)生剝離，這對于在金剛石上高質(zhì)量生長GaN晶體至關重要。

AlGaN/GaN/3C-SiC層結(jié)合到金剛石上經(jīng)歷了拉伸應力，隨著退火溫度的升高而釋放。與硅和SiC襯底上的GaN HEMTs相比，金剛石襯底上的GaN HEMTs表現(xiàn)出最高的漏極電流和最低的表面溫度。此外，金剛石襯底上的GaN HEMTs的熱阻小于SiC的一半，約為Si的四分之一。這些結(jié)果表明，GaN/3C-SiC在金剛石上的技術具有顯著的潛力，有望全面改變具有改進熱管理能力的電子系統(tǒng)的發(fā)展。

????大規(guī)模商業(yè)化，或不遠矣

基于業(yè)界長期的研發(fā)活動，如今金剛石半導體相關功能應用已經(jīng)開始逐步邁向?qū)嵱没?。但要真正普及推廣金剛石在半導體領域的應用，依然需要花費很長的時間，不過最新市場反饋，金剛石在高功率器件散熱領域的應用，已初步得到市場驗證，大規(guī)模商業(yè)化，或不遠矣！