中科院微电子所取得厚膜氮化镓与多晶金刚石异质集成技术新突破

近日，中科院微电子所的高频高压中心传来喜讯，刘新宇研究员团队携手天津中科晶禾公司等单位，在厚膜氮化镓（GaN）与多晶金刚石直接键合技术领域取得了显著进展。该研究不仅攻克了多晶金刚石表面形貌的难题，更在室温下实现了与厚膜GaN的高效直接键合，为晶圆级多晶金刚石键合技术的开发和应用开辟了新的道路。

据悉，研究团队采用了先进的动态等离子体抛光（DPP）技术，将多晶金刚石表面的凸起尖峰高度显著降低到1.2nm，同时获得了表面粗糙度仅为0.29nm的光滑表面。在此基础上，结合表面活化键合方法，团队成功在室温下将约370μm的GaN与约660μm的多晶金刚石衬底实现直接键合，键合率高达约92.4%，且该结构能在-55℃至250℃的宽温度范围内稳定工作。

近年来，GaN/金刚石异质集成技术因其在制造高可靠性、大功率密度GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）方面的巨大潜力而备受关注。晶圆直接键合技术因其高界面热导和低热应力的优势，在材料与器件集成领域展现出广阔的应用前景。然而，该技术对材料表面的平整度和粗糙度要求极高，这成为制约其进一步发展的关键因素。

目前，虽然单晶金刚石通过化学机械抛光技术（CMP）能够获得较低的表面粗糙度和高平整度，但单晶金刚石的大尺寸生长难题和高昂成本限制了其广泛应用。相比之下，多晶金刚石具有成本低、尺寸大等优点，但其表面形貌的复杂性和不均匀性使得CMP技术难以满足直接键合的要求。同时，厚膜GaN在键合过程中也面临着应力问题，进一步增加了技术难度。

此次研究团队采用的动态入射角度等离子体抛光技术，在解决多晶金刚石表面形貌问题上取得了突破性进展。该技术能够在无压力状态下实现对多晶金刚石表面的精细处理，有效降低了其表面粗糙度和凸起尖峰高度。同时，结合原位硅纳米层沉积辅助的离子束表面活化键合方法，团队成功实现了厚膜GaN与多晶金刚石的异质集成，且键合率高达约92.4%。

此外，研究团队还利用变温共焦拉曼光谱技术，深入研究了GaN/金刚石键合界面在宽温度范围内的残余应力变化规律。研究发现，常温键合界面存在约200 MPa的残余应力，且随着温度的升高，界面应力呈现出不对称增加的特点。这主要是由于GaN与硅纳米键合辅助层具有相近的热膨胀系数（CTE），而金刚石与硅纳米键合辅助层的CTE差异较大。这种不对称的应力分布进一步证明了非晶硅纳米层作为缓冲层在释放应力方面的有效性。

该研究以《Heterogeneous integration of thick GaN and polycrystalline Diamond at room temperature through dynamic plasma polishing and surface-activated bonding》为题，发表在权威期刊《Journal of Alloys and Compounds》上。王鑫华研究员、母凤文博士为论文的共同通讯作者，高润华博士为论文的第一作者。该研究的顺利进行得到了国家自然科学基金项目、北京市科委项目等资助的支持。

采用动态等离子体抛光技术和高真空表面活化键合技术实现厚膜GaN与多晶金刚石的常温直接键合

这一重要突破不仅为厚膜氮化镓与多晶金刚石异质集成技术的发展提供了新的思路和方法，也为未来高功率、高可靠性电子器件的研制和应用奠定了坚实基础。随着研究的深入和技术的不断完善，相信这一领域将会取得更多突破性成果，为电子产业的发展注入新的活力。

来源：三代半导体芯研究

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