不使用中间层，在硅衬底上外延生长的氮化镓层成功地结合到10毫米乘10毫米的金刚石板上。照片从透明的钻石一侧拍摄，显示整个氮化镓层成功地结合到钻石上。学分:大阪市立大学当今社会对更强大的电子器件的需求受到我们生产高导电半导体的能力的限制，这些半导体能够承受高功率器件的苛刻高温制造工艺。氮化镓(氮化镓)-金刚石显示出作为下一代半导体材料的前景，因为这两种材料的宽带隙允许高导电性，而金刚石的高导热性，使其成为优异的散热基板。已经尝试通过将两种成分与某种形式的过渡层或粘合层结合来产生金刚石上的氮化镓结构，但是在这两种情况下，附加层都显著干扰了金刚石的导热性——破坏了氮化镓-金刚石结合的关键优势。
“因此需要一种可以直接集成金刚石和GaN的技术，”大阪市立大学(OCU)工程研究生院副教授、该研究的第一作者梁剑波说，“然而，由于它们的晶体结构和晶格常数存在很大差异，在GaN上直接生长金刚石，反之亦然是不可能的。”
将两个元件在没有任何中间层的情况下熔合在一起，称为晶圆直接键合，是避免这种不匹配的一种方法。然而，为了在许多直接键合方法中产生足够高的键合强度，该结构需要在所谓的后退火过程中被加热到极高的温度(通常为500摄氏度)。由于热膨胀不匹配，这通常会导致不同材料的粘合样品出现裂纹，这一次，氮化镓-金刚石结构在制造过程中经受住了高功率器件所经历的极高温度。
“在以前的工作中，我们使用表面活化键合(SAB)在室温下成功地制造了各种与金刚石的界面，所有这些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Shigekawa Naoteru教授说。
正如本周在《先进材料》杂志上报道的那样，来自东北大学、佐贺大学的梁、重川和他们的同事，以及namingan Namiki Precision Jewel。有限公司，使用SAB方法成功地结合氮化镓和金刚石，并证明即使加热到1000摄氏度，结合也是稳定的。
在室温下，SAB通过原子清洗和活化粘合表面，使其相互接触时发生反应，从而在不同材料之间产生高度牢固的粘合。
由于氮化镓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制造出金刚石上的氮化镓材料后，他们使用了各种技术来测试键合点(或异质界面)的稳定性。为了表征异质界面氮化镓中的残余应力，他们使用了显微拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)和能量色散x光光谱来揭示异质界面的纳米结构和原子行为，电子能量损失光谱(EELS)显示了异质界面碳原子的化学键合状态，并在700摄氏度的气体环境压力下测试了异质界面的热稳定性，“这是氮化镓基功率器件制造过程所必需的，”梁说。
结果表明，在异质界面上形成了一个大约5.3纳米的中间层，它是无定形碳和金刚石的混合物，其中分布着镓和氮原子。正如Shigekawa所说，随着研究小组提高退火温度，他们注意到了层厚度的减少，“由于无定形碳直接转化为金刚石”。教授继续说，在1000摄氏度退火后，该层减小到1.5纳米，“表明通过优化退火工艺可以完全去除中间层”。尽管异质界面的抗压强度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氮化镓结构的抗压强度并不匹配。
然而，“由于在1000摄氏度退火后，在异质界面上没有观察到剥离，”梁说，“这些结果表明，氮化镓/金刚石异质界面可以承受苛刻的制造工艺，氮化镓晶体管的温升被抑制了四倍。”
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