背景介绍

GaAs 因超高电子迁移率（~8500 cm2/V・s）和直接带隙，广泛应用于 5G 通信、光电子器件，但热导率仅～55 W/m・K，且 3D 集成与器件微型化导致热流密度激增，严重影响器件性能与可靠性（温度每升 2℃，失效风险增 10%）。传统 GaAs/Si 键合散热不足（Si 热导率 130-150 W/m・K），现有 GaAs/SiC 键合技术仅局限于 3 英寸以内，缺乏界面微观结构与热传输机理的系统研究。

成果掠影

近日，北京大学高鹏联合苏州晶瓴半导体科技有限公司王振中通过表面活化键合（SAB）技术成功制备出6 英寸 GaAs/SiC 晶圆，相比传统 GaAs/Si 结构，其散热冷却效率超66% ，可有效解决 GaAs 固有热导率低（~55 W/m・K）导致的高功率器件自热问题。研究发现界面存在大约2.4 nm 的混合非晶层，通过 STEM-EELS 表征与 MD 模拟证实，2 nm 为该非晶层的最优厚度，能最大化界面热导（ITC）至 114.7 MW/m2・K（较无中间层提升 10.4%），其核心机理是非晶层作为 “声子桥梁” 增强 GaAs 与 SiC 的振动光谱重叠，而厚度超 2 nm 会引发强烈声子散射。该成果为GaAs基器件、光电子器件的热管理提供了晶圆级集成方案与界面工程设计指导。研究成果以“Direct Bonding of 6‑inch GaAs/SiC Wafers for Enhanced Thermal Management in High-Power Devices” 为题，发表于《ACS Applied Materials Interfaces》期刊。

图文导读

图1. GaAs与SiC的晶圆级键合及其特性。（a）6英寸GaAs和SiC晶圆的SA B工艺示意图。（b）激光二极管的GaAs基高功率器件应用示意图（左），垂直外腔面发射激光器（中）和高电子迁移率晶体管（右），采用高导热性SiC衬底以实现更好的散热。完整的6英寸GaAs/SiC键合样品的红外透射图像，键合过程中不可避免的污染导致的小空隙由圆圈标记。（d）GaAs/SiC界面的横截面SEM图像。（e）GaAs/SiC界面的横截面HRTEM图像，放大视图如插图所示。

图2. GaAs/SiC和GaAs/Si异质结构之间的热性能比较。（a）SiC或Si衬底上的HEMT器件的模拟结构示意图，标注了层厚度。（b）SiC和Si衬底上HEMT的模拟热点温度SiC相对于Si衬底的相对冷却效率（条形图）和线形图（即，（TSi-TSiC）/TSi）作为输入热源密度的函数。（c）GaAs/Si（左）和GaAs/SiC（右）样品在主动加热和自然冷却过程中的红外热成像图像。（d）GaAs/SiC和GaAs/Si样品热点温度的时间演变。

图3. GaAs/SiC界面上的原子和电子结构表征。（a）GaAs/SiC界面的截面HAADF图像和（b）同时获得的ABF图像。（c）原子分辨率EDS元素映射，显示界面附近Ga、As、Si、C、Ar和O的分布。（d）界面上Ga、As、Si、C、Ar和O的原子分数线分布，（e）光谱采集区域的HAADF图像，具有将空间位置与光谱数据相关联的颜色梯度箭头重叠。（f）等离子体激元主峰光谱，（g）Si L-边缘和（h）C K-边缘近边缘精细结构光谱，从（e）中的相同区域采集。

图4.非晶夹层的振动光谱及其对GaAs/SiC ITC的影响。（a）通过STEM-EELS测量的GaAs/SiC界面上的空间分辨振动光谱，绿色箭头突出显示非晶夹层内的振动模式。（b）从（a）中提取的振动模式的线轮廓，用于比较SiC块体（蓝色）、界面区域（绿色）、界面区的振动模（~ 37 meV）可以增加GaAs和SiC的声子谱的重叠。GaAs中由紫色箭头标记的（103 meV）是SiC的离域极化激元。（c）GaAs/非晶夹层/具有从0到6 nm的不同夹层厚度的SiC模型。（d）从MD模拟获得的GaAs、a-界面和SiC的振动光谱，其中光谱重叠由颜色阴影区域突出显示。从MD模拟获得的ITC值作为非晶夹层厚度的函数。虚线表示突变界面的ITC以供比较。（f）GaAs/非晶层/SiC的SHC计算结果，非晶层厚度为0、1、2和2.5 nm。

文章来源：未来产链

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