论文信息：

N. Shigekawa, J. Liang and Y. Ohno, "Wafer Bonding of Diamond for Improving Heat Dissipation of Properties of Nitride Devices," 2025 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), Kyoto, Japan, 2025, pp. 156-158

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11302700/references#references

Part.1 研究背景

基于氮化物的电子器件（如 GaN 高电子迁移率晶体管，HEMT）已被广泛应用于高功率与高频（亚系统）领域。器件工作过程中由焦耳热引起的温升，即自热效应，会限制 GaN HEMT 的器件性能。因此，如何将热量从 GaN HEMT 中高效扩散并降低其热阻，成为当前亟需解决的问题。

由于金刚石具有优异的热学与电学性能，氮化物/金刚石结被认为是极具前景的解决方案之一。为实现该结构，需要在保证界面稳定性与器件工艺兼容性的前提下，构建高质量的氮化物/金刚石键合界面。本研究采用表面活化键合（surface-activated bonding, SAB）方法实现氮化物与金刚石之间的键合，并对所制备的 GaN-on-diamond HEMT 的热与电学特性进行系统研究。

Part.2 研究内容

本研究首先将生长于 Si（111）衬底上的 AlGaN/GaN/3C-SiC 异质结构，通过表面活化键合方法转移至化学气相沉积（CVD）金刚石晶圆上，形成 3C-SiC//diamond 键合界面。随后，对键合结构进行高温退火处理，以评估其热稳定性与界面结构演化。通过高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）与时间域热反射（TDTR）测量，对界面纳米结构与热边界导热性能进行表征。在此基础上，制备 GaN-on-diamond HEMT，并与采用相同异质结构的 GaN-on-4H-SiC 与 GaN-on-Si HEMT 进行对比，系统评估其热阻、自热效应及直流电学特性。相关图像用于展示键合界面状态、界面结构演化、器件制程流程以及器件热与电学性能对比结果。

图 1 未退火、600、800、950 以及 1100 ◦C 退火后的氮化物/金刚石键合结图像，以及 1100 ◦C 退火后键合结的扫描声学显微镜（SAM）图像

研究中将生长于 Si（111）衬底上的 AlGaN/GaN/3C-SiC 异质结构转移至 CVD 金刚石晶圆上，并通过表面活化键合方法形成 3C-SiC//diamond 键合界面。随后对键合结进行最高达 1100 ◦C 的退火处理。图中给出了未退火键合结以及在 600、800、950 和 1100 ◦C 条件下退火后的键合结图像。结果表明，在所采用的退火温度范围内，键合界面未发生剥离现象。该结果与 1100 ◦C 退火后键合结的扫描声学显微镜图像一致，表明该键合结构具有良好的热稳定性。

图 2 （a）未退火与（b）1100 ◦C 退火后的 3C-SiC//diamond 键合界面的高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）图像 [7]；（c）采用时间域热反射（TDTR）方法测量得到的 3C-SiC//diamond 键合界面热边界导热率与退火温度之间的关系

通过高分辨透射电子显微镜对键合界面的纳米结构进行表征发现，未退火键合界面处存在类非晶层，而在 1100 ◦C 退火后，该界面发生了“再结晶”现象，表明退火过程在改善界面结构质量方面起到了关键作用。进一步的 TDTR 测量结果表明，随着退火温度升高，3C-SiC//diamond 键合界面的热边界导热率显著提高。该结果表明，后退火处理不仅改善了界面纳米结构，同时也有效增强了界面的热传输能力。

图 3 制备 GaN-on-diamond HEMT 所采用的工艺流程示意图

基于表面活化键合形成的 20 mm × 20 mm 氮化物/金刚石键合结，采用所示工艺流程制备 GaN-on-diamond HEMT。得益于键合界面的高热稳定性，在蒸镀 Ti/Al/Ti/Au 并剥离后，通过约 800 ◦C 的退火工艺形成源极与漏极接触，从而成功制备出 on-diamond HEMT。作为对比，还采用相同的异质结构分别制备了 GaN-on-4H-SiC HEMT 与 GaN-on-Si HEMT。三种器件具有相同的栅长 LG = 5 μm 以及源-栅和栅-漏间距 LSG = LGD = 10 μm。

图 4 （在 LG = 5 μm、LSG = LGD = 10 μm 条件下，on-diamond、on-4H-SiC 以及 on-Si HEMT 的栅-漏间距处栅边温升与耗散功率之间的关系，同时给出了各器件提取的热阻

通过微区光致发光光谱方法测量偏置 HEMT 沟道中栅极与漏极之间区域的温升，并分析温升与耗散功率之间的关系。图中给出了三种 HEMT 的温升随耗散功率变化曲线，其斜率对应器件的热阻。结果表明，on-diamond HEMT 的热阻约为 on-Si HEMT 的四分之一，约为 on-4H-SiC HEMT 的二分之一，显示出显著降低的热阻特性。

图 5 （a）–（c）分别为 on-diamond、on-4H-SiC 与 on-Si HEMT 的漏电流–漏源电压（ID–VDS）特性，同时叠加显示其栅边温升；（d）为三种 HEMT 的转移特性

在不同栅源偏置条件下，对三种 HEMT 的 ID–VDS 特性进行测量，并叠加显示对应工况下栅边温升分布。在 VDS = 20 V、VGS = 2 V 条件下，on-diamond、on-4H-SiC 与 on-Si HEMT 的温升分别为 74、130 和 169 ◦C。结果表明，on-diamond HEMT 的自热效应最为显著抑制。转移特性对比显示，on-diamond HEMT 的跨导最大值最高，负微分电导效应最弱。

图 6 制备于 10 mm × 10 mm、1 英寸与 2 英寸多晶金刚石（PCD）晶圆上的 GaN HEMT

为验证工艺的可扩展性，将氮化物异质结构转移至多晶金刚石晶圆上，并采用相同工艺制备 on-PCD HEMT。图中展示了在不同尺寸 PCD 晶圆上制备的器件。结果表明，与 on-Si 器件相比，on-PCD 器件在系统测试中表现出更低的温升，验证了该方法在大尺寸晶圆上的可行性。

Part.3 研究总结

本研究系统讨论了基于晶圆键合的氮化物/金刚石结的热稳定性，以及在该结上制备的 GaN-on-diamond HEMT 的器件特性，并与采用相同异质结构的 on-4H-SiC 与 on-Si HEMT 进行了对比。由于自热效应得到显著抑制，所制备的 GaN-on-diamond HEMT 表现出优于 on-4H-SiC 与 on-Si HEMT 的性能。

研究结果表明，将氮化物晶圆键合至金刚石上为改善氮化物器件的散热特性、进而提升其在高频与高功率应用中的性能提供了一种具有前景的平台。

来源：芯片散热课题组

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