共讀好書

吳海平 安康 許光宇 張亞琛 李利軍 張永康李鴻 張旭芳 劉峰斌 李成明

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院）

摘要：

氮化鎵（GaN）功率器件具有功率高、小型化的優(yōu)勢(shì)，但散熱問題已經(jīng)成為限制其高功率輸出的新問題。金剛石具有塊體材料最高的熱導(dǎo)率，是GaN 功率器件的理想散熱材料，將金剛石與GaN 功率器件集成，可以降低器件運(yùn)行溫度，提高功率密度，推進(jìn)器件小型化發(fā)展。但是由于金剛石與GaN 存在大的熱膨脹失配和晶格失配，以及金剛石的高硬度和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其與GaN 集成存在很多問題，無法發(fā)揮金剛石的超高熱導(dǎo)率優(yōu)勢(shì)。針對(duì)金剛石與GaN 的集成已經(jīng)進(jìn)行了研究與探索，主要包括GaN 功率器件的器件層散熱和襯底層散熱。器件層散熱主要有金剛石鈍化散熱技術(shù)，其在GaN 器件層中異質(zhì)外延金剛石散熱層；襯底層散熱主要有鍵合技術(shù)、異質(zhì)外延技術(shù)，其中鍵合技術(shù)通常需要在金剛石和GaN 表面沉積鍵合層或形成封端，包括表面活化鍵合技術(shù)、親水鍵合技術(shù)、原子擴(kuò)散鍵合技術(shù)和水解輔助固化鍵合技術(shù)等；異質(zhì)外延技術(shù)通常需要在外延表面沉積緩沖層，包括金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)和GaN 底面異質(zhì)外延金剛石技術(shù)。詳細(xì)介紹了GaN 材料的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域及面臨的挑戰(zhàn)，對(duì)上述集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納，展望了金剛石與GaN 功率器件集成技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1.引言

GaN 作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，與Si、Ge、GaAs、InP 等第一、二代半導(dǎo)體材料相比，在禁帶寬度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子遷移率、熱導(dǎo)率、最高工作溫度等關(guān)鍵性能上更具優(yōu)勢(shì)[1]。使用GaN 材料制造的GaN 功率器件擁有高轉(zhuǎn)換效率、低導(dǎo)通損耗、高工作頻率、大帶寬以及高功率密度[2]，廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電力電子等領(lǐng)域[3-4]。

隨著系統(tǒng)小型化的發(fā)展，需要進(jìn)一步提高GaN 功率器件的功率密度，但是GaN 功率器件工作時(shí)，本身會(huì)產(chǎn)生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會(huì)在器件內(nèi)部，尤其是在導(dǎo)電溝道處產(chǎn)生大量熱量使得器件結(jié)溫有明顯升高，晶格振動(dòng)散射大大加強(qiáng)使得漂移區(qū)內(nèi)的電子遷移率降低，器件導(dǎo)通電阻出現(xiàn)明顯上升，這種現(xiàn)象被稱作“自熱效應(yīng)”。姜守高等[5]發(fā)現(xiàn)GaN 基HEMT 器件在200℃存儲(chǔ)300 小時(shí)后，其飽和電流降低9.05%，最大跨導(dǎo)降低5.3%，因此散熱問題越來越重要[6-7]。如何實(shí)現(xiàn)有效的散熱以減弱自熱效應(yīng)的影響，成為高功率密度GaN 功率器件保持高可靠性和長(zhǎng)壽命的挑戰(zhàn)[8-13]。

目前GaN 材料通常使用外延法制備[14]，襯底使用Si、SiC、Al2O3、AlN、GaN 等材料[15-17]，其熱導(dǎo)率如表1 所示，無法發(fā)揮GaN 器件高頻率、高功率密度的優(yōu)勢(shì)[18-23]。金剛石是塊體材料中熱導(dǎo)率最高的材料，單晶金剛石在室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2400W·m-1·K-1[24]，多晶金剛石熱導(dǎo)率也達(dá)到了2000 W·m-1·K-1 [25]，遠(yuǎn)高于其他常用GaN 襯底材料的熱導(dǎo)率，是理想的散熱材料[26]。將高熱導(dǎo)率的金剛石與GaN 功率器件集成，憑借金剛石的超高熱導(dǎo)率，熱源產(chǎn)生的熱量會(huì)迅速地橫向擴(kuò)散在基板內(nèi)，提升了熱源與外界的有效換熱面積，從而可以極大地提升系統(tǒng)的換熱能力，大幅度提高GaN 功率器件的散熱效果，降低器件溝道溫度，從而提高GaN 功率器件的工作功率密度[27]。本文對(duì)近年來金剛石與GaN 集成技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了介紹，詳細(xì)闡述了各種技術(shù)的設(shè)計(jì)方案、工藝流程、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用范圍，并對(duì)未來金剛石與GaN 功率器件集成技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了分析和展望。

2.金剛石/GaN 集成技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前金剛石與GaN 功率器件的集成通常從兩方面進(jìn)行，一是GaN 頂部的器件層散熱，主要應(yīng)用金剛石鈍化散熱技術(shù)，金剛石鈍化散熱是直接在器件頂部沉積金剛石，提高熱點(diǎn)頂部的熱擴(kuò)散，同時(shí)起到增大換熱面積的作用；二是GaN 底部金剛石襯底散熱，主要有GaN 底部異質(zhì)外延金剛石、金剛石表面異質(zhì)外延GaN 和鍵合技術(shù)[28-30]。

2018 年，美國(guó)AkashSystems 公司[31]開發(fā)出金剛石基GaN，用于衛(wèi)星功率放大器，相比SiC 基GaN，其工作溫度從232℃降低到152℃，功率密度提升3.6 倍以上。2019年，搭載該金剛石基GaN 功率器件的衛(wèi)星已成功發(fā)射，得益于金剛石的高導(dǎo)熱率，GaN 的高功率高頻率優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了14 Gbps。2019 年，日本富士通公司[32]報(bào)道了一種金剛石-GaN-金剛石的雙層金剛石散熱結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，結(jié)合了金剛石鈍化散熱技術(shù)與金剛石襯底散熱技術(shù)，經(jīng)測(cè)試，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的散熱性能，熱點(diǎn)溫度較無金剛石的結(jié)構(gòu)下降了77%。

2.1 金剛石/GaN 鍵合技術(shù)

金剛石/GaN 鍵合技術(shù)的技術(shù)路線通常是將GaN 外延層的原始襯底通過機(jī)械研磨，化學(xué)蝕刻等方法去除，然后在GaN 暴露的底面通過磁控濺射、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）等方法沉積中間層，之后與金剛石結(jié)合。該技術(shù)存在的難點(diǎn)是對(duì)金剛石的表面粗糙度、彎曲度要求極高，還存在鍵合強(qiáng)度低，鍵合層熱阻高等問題。目前金剛石表面加工方法主要有機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、等離子體輔助拋光、激光拋光等[33-34]，例如Yamamura等[35]使用等離子體輔助拋光獲得了粗糙度Sq 0.13 nm 的單晶金剛石片，楊志亮等[36]使用機(jī)械研磨拋光，得到了粗糙度0.27 nm、彎曲度13.84 μm 的3 英寸多晶金剛石片，但是成本都比較高。根據(jù)鍵合層處理方法與材料的不同，目前常用的鍵合技術(shù)有表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴(kuò)散鍵合、水解輔助固化鍵合等。

2.1.1 金剛石/GaN 表面活化鍵合技術(shù)

表面活化鍵合通常使用Si、SiC 等能與金剛石形成穩(wěn)定化學(xué)鍵的非金屬材料作為鍵合層，基本流程如圖2 所示，首先通過粘片工藝將GaN 固定到載片上，之后去除原始襯底，在待鍵合面沉積鍵合層或使用離子束活化待鍵合表面，最后將鍵合表面貼合并加壓完成鍵合。由于需要保持待鍵合表面活性，避免氧化或污染，沉積鍵合層或離子束活化表面步驟與鍵合步驟需要在高真空度環(huán)境（~5×10-6 Pa）中進(jìn)行，對(duì)設(shè)備條件要求很高。

由于鍵合層通常是非晶態(tài)材料，熱導(dǎo)率較低，Cheng 等[37]為了探究鍵合層厚度對(duì)界面熱導(dǎo)的影響，制備了不同鍵合層厚度的金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，分別為13 nm 和4.2 nm，并使用時(shí)域熱反射技術(shù)測(cè)量界面熱導(dǎo)，分別為53 MW·m-2·K-1 和92 MW·m-2·K-1，可以看出，鍵合層厚度與熱導(dǎo)率有強(qiáng)相關(guān)性，減小鍵合層厚度對(duì)整體熱阻的控制十分重要。

為了減小鍵合層厚度或使鍵合層轉(zhuǎn)變成晶態(tài)材料，有研究人員使用高溫退火的方式，使鍵合層發(fā)生擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)等。Kagawa 等[38-39] 使用Si作為中間層， 制備了AlGaN/GaN/3C-SiC/金剛石結(jié)構(gòu)，在800℃退火后，形成歐姆接觸，鍵合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，得到完整GaN HEMT 器件。如圖3 所示，在1100℃退火后，鍵合層中Si和C 原子發(fā)生再結(jié)晶生成SiC，厚度從退火前的15.5 nm 減小到7.4 nm，且在高溫退火過程中鍵合層拉應(yīng)力也有所減小。在VGS=2 V，VDS=20 V 時(shí)，相比于Si 和SiC 襯底，使用金剛石襯底的器件最高溫度分別降低57%和43%，器件電性能也有所提高。Liang等[40]報(bào)道了僅通過Ar 離子束照射金剛石和GaN 表面，不使用其它材料作為鍵合層的方法制備了金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，其中有5.3 nm 厚的非晶碳中間層。在700℃、1000℃退火后非晶碳中間層厚度分別減小到2.3 nm和1.5 nm，在其中觀察到晶格條紋，部分轉(zhuǎn)化為金剛石。這些研究都表明通過優(yōu)化退火工藝可以減小甚至完全去除鍵合層，且鍵合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步減小鍵合層厚度，Matsumae 等[41]優(yōu)化工藝，使用Ar 離子束照射Si靶，在金剛石上沉積1 nm 厚的Si 層，GaN 表面使用Ar 離子束轟擊活化，在4.4MPa 的壓力下與GaN 成功鍵合，鍵合層厚度僅1.5 nm，剪切強(qiáng)度4.5 MPa，如圖4 所示。推測(cè)界面熱阻小于10 m2·K·GW-1。相比Liang 等[40]的工藝，這個(gè)工藝沒有高溫退火的過程，減小了對(duì)GaN層的損傷。

金剛石表面粗糙度控制對(duì)鍵合成功率也十分重要，但是由于金剛石的高硬度、高化學(xué)

惰性，將其加工到0.5 nm 以下成本很高，有研究人員發(fā)現(xiàn)在沉積鍵合層的過程中，可以降低金剛石鍵合面粗糙度。Kobayashi 等[42]使用射頻磁控濺射在金剛石鍵合面沉積15 nm SiC層，使金剛石鍵合面粗糙度由0.768 nm 降低到0.365 nm，而后在表面活化鍵合設(shè)備中室溫鍵合，成功制備了金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，鍵合面積85%，鍵合層厚度11 nm，其中3.7nm 為缺陷金剛石層，7 nm 為非晶SiC 層。在1000℃退火后，由于硅與碳原子反應(yīng)生成SiC，SiC層厚度略有增加，非晶SiC 層在退火工藝之后變成多晶。結(jié)果表明，SiC 層的沉積可以降低金剛石表面的粗糙度，并有利于多晶金剛石與異種材料的室溫結(jié)合，通過退火工藝，還可以將低熱導(dǎo)率的非晶SiC 轉(zhuǎn)變成高熱導(dǎo)率的多晶SiC。

目前的研究大多處于小尺寸探索階段，針對(duì)大面積鍵合的工藝優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，廖龍忠等[43]使用納米級(jí)氧化硅作為鍵合層，使用優(yōu)化的鍵合工藝，成功實(shí)現(xiàn)了4 英寸金剛石與GaN 的鍵合，如圖5 所示。所制備的金剛石/GaN 器件熱阻較轉(zhuǎn)移前降低了39.5%，在6.5 W總耗散功率下其結(jié)溫降低了33.77℃，電氣性能經(jīng)測(cè)試也有提高。實(shí)現(xiàn)了大尺寸金剛石與GaN 的鍵合，驗(yàn)證了大尺寸鍵合的可行性，為產(chǎn)業(yè)化提供了依據(jù)。

2.1.2 金剛石/GaN 親水鍵合技術(shù)

親水鍵合是在金剛石和GaN 表面生成OH端，通過OH 端之間的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)金剛石與GaN 的鍵合，目前已廣泛應(yīng)用于金剛石與Si、SiO2、InP，InGaP，Ga2O3 等材料的鍵合[44-47]。Matsumae 等[48]使用NH4OH/H2O2混合溶液在70℃下處理金剛石，使用HCl 溶液在70℃下處理GaN，在金剛石和GaN 表面成功生成了OH 端，后將金剛石與GaN 在1MPa 的壓力下200℃處理2 小時(shí)，成功得到金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。剪切強(qiáng)度8.19MPa，有3nm 由sp2-C、Ga 和O 組成的鍵合層。親水鍵合的方法相對(duì)于表面活化鍵合，步驟簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求低，但是OH 端反應(yīng)產(chǎn)物包括大量高溫水分子，在大尺寸鍵合過程中可能無法及時(shí)逸出，影響鍵合效果，且據(jù)Sumiya 等[49]報(bào)道，高溫水蒸氣會(huì)對(duì)GaN 產(chǎn)生不利影響。

2.1.3 金剛石/GaN 原子擴(kuò)散鍵合技術(shù)

原子擴(kuò)散鍵合技術(shù)使用Au、Mo、Ag、Cu 等金屬材料作為鍵合層，利用金屬原子在溫度和壓力下的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)鍵合，已經(jīng)應(yīng)用于金剛石與Si、GaN 與Si 的鍵合[50-51]。Wang 等[52]在單晶金剛石、多晶金剛石和GaN 上沉積5 nm Mo 層和11nm Au 層，在室溫下加載2000N 的載荷完成鍵合，制作了單晶金剛石/GaN 和多晶金剛石/GaN 兩個(gè)樣品。單晶金剛石與GaN 完全鍵合，在680 N 的拉力下，樣品從Au-Au 鍵合層斷裂。多晶金剛石鍵合面積98.5%，經(jīng)過45℃到125℃的1000 次熱循環(huán)后，鍵合面積降低到73%，如圖7 所示。使用原子擴(kuò)散鍵合成功制備了金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，但是由于金屬材料與金剛石和GaN 之間熱膨脹系數(shù)失配很大，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性較差，且并未報(bào)道金屬鍵合層厚度、熱導(dǎo)率以及金屬層對(duì)GaN器件電氣性能的影響。

2.1.4 金剛石/GaN 水解輔助固化鍵合技術(shù)

水解輔助固化鍵合是一種利用中間層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行鍵合的方法。Gerrer 等[53]在Si 基AlN/AlGaN/GaN上黏貼一塊650 μm 厚的藍(lán)寶石，而后放入HNO3/HF 混合溶液中去除Si 層，后在去離子水中將AlN/AlGaN/GaN 的AlN 面與金剛石接觸，旋轉(zhuǎn)去除接觸面多余的水，放入真空爐中在200℃完成鍵合，去除藍(lán)寶石片后得到金剛石/AlGaN/GaN 結(jié)構(gòu)。在鍵合過程中，鍵合層是通過AlN 與水在40℃以上溫度反應(yīng)形成的，生成物為Al(OH)3和AlO(OH)，鍵合層厚度30 nm，如圖8 所示。整個(gè)工藝流程都是在液體中進(jìn)行的，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)金剛石粗糙度要求較低，但是鍵合層材料導(dǎo)熱率極低，且厚度難以控制，導(dǎo)致其熱阻高，據(jù)Fatimah 等[54]報(bào)道Al 的氫氧化合物可以在高溫下分解成熱導(dǎo)率更高的Al2O3，后續(xù)可以開發(fā)其它高熱導(dǎo)率的鍵合層材料或通過高溫退火等方法提高鍵合層熱導(dǎo)率。

2.2 金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)

另一種金剛石襯底散熱技術(shù)是異質(zhì)外延技術(shù)，由于金剛石是立方晶體結(jié)構(gòu)，不同于GaN 的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，GaN 和金剛石之間存在很大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配，如表1 所示，給異質(zhì)外延技術(shù)帶來了許多難題，如何有效控制應(yīng)力以及生長(zhǎng)的晶體質(zhì)量都是其中的關(guān)鍵問題。按照外延層的區(qū)別可以分為GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)和金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)。GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)，是在去除GaN 原襯底及部分緩沖層后，先在GaN背面沉積一層介電層用于保護(hù)GaN，而后再沉積金剛石層；金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)，是在金剛石上直接使用分子束外延（MBE）、MOCVD 等方法沉積GaN 層。目前研究使用較多的異質(zhì)外延技術(shù)是GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)。

GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)相比鍵合技術(shù)，界面結(jié)合強(qiáng)度高，成本較低，但是也存在一些問題，如異質(zhì)外延金剛石的形核層質(zhì)量差、熱導(dǎo)率低，金剛石的生長(zhǎng)環(huán)境通常都是高溫、高氫等離子體密度，GaN 在高溫冷卻到室溫的過程中會(huì)發(fā)生翹曲甚至破裂，在氫等離子體環(huán)境中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的刻蝕、分解[55-59]。因此需要在GaN 表面先制備一層保護(hù)層，緩解熱應(yīng)力，同時(shí)保護(hù)GaN 不受刻蝕。技術(shù)基本流程如圖9 所示。

Field 等[60]研究了保護(hù)層對(duì)金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)的影響，比較了具有SiC 保護(hù)層和沒有保護(hù)層的兩種樣品的形貌特征和熱導(dǎo)率。從結(jié)果來看，沒有保護(hù)層的樣品結(jié)合面粗糙，GaN被刻蝕，結(jié)合強(qiáng)度低，界面熱阻高（107±44 m2·K·GW-1），具有SiC 保護(hù)層的樣品結(jié)合面平整光滑，有較低的界面熱阻（30±5 m2·K·GW-1），認(rèn)為是SiC 保護(hù)層與金剛石有更強(qiáng)的結(jié)合力，相比于直接在AlGaN 上沉積金剛石，SiC 與金剛石之間形成了更多的碳化物鍵，有助于界面的聲子傳熱，改善了熱傳輸。

由于保護(hù)層的材料和厚度都對(duì)熱阻有很大影響，很多研究人員對(duì)此展開了研究。Yates等[61]研究了沒有保護(hù)層、具有5 nm 厚SiN 保護(hù)層、具有5 nm 厚AlN 保護(hù)層的金剛石/GaN結(jié)構(gòu)的界面熱阻，在沒有保護(hù)層和具有5 nm 厚AlN 保護(hù)層的樣品中，發(fā)現(xiàn)GaN 被刻蝕，導(dǎo)致界面粗糙，使樣品的界面熱阻增加，界面熱阻分別為41.4 +14.0/-12.3 m2·K·GW-1、18.2+1.5/-3.6 m2·K·GW-1，而且在沒有保護(hù)層的樣品中，金剛石與GaN 之間發(fā)生了分層。在具有5 nm 厚SiN 保護(hù)層的樣品中，金剛石與GaN 結(jié)合界面清晰，平整光滑，GaN 層完整，沒有受到刻蝕，界面熱阻最低，為9.5 +3.8/-1.7 m2·K·GW-1。

金剛石異質(zhì)外延工藝對(duì)所制備金剛石層的質(zhì)量有很大影響，金剛石形核層由于晶粒較小，晶界多，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率低，如何提高金剛石形核層熱導(dǎo)率也是一個(gè)問題。Malakoutian等[62]使用快速形核的方法，減小形核層厚度，降低界面熱阻。他們使用MOCVD 法在GaN表面沉積5 nmSi3N4 作保護(hù)層，而后使用聚合物輔助浸晶技術(shù)，使氧終端金剛石顆粒呈-50mv zeta 電位，Si3N4 層表面呈+50 mv zeta 電位，由于金剛石顆粒與Si3N4 層表面巨大的電位差，可以實(shí)現(xiàn)金剛石顆粒的高密度播種，最終播種密度大于1012cm-2。而后放入微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）裝置中，金剛石在低溫度（~700℃）、低功率（600 W）、低腔壓（20 Torr）、高甲烷濃度（5%）中10分鐘快速形核，形核層厚度僅25-30 nm。形完成后迅速提高功率（1800 W）和腔壓（70 Torr），降低甲烷濃度，金剛石生長(zhǎng)完成后在氫等離子體環(huán)境中緩慢冷卻至室溫。他們使用這種方法成功制備了金剛石/GaN 結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。其中保護(hù)層的厚度由最初的5 nm 降至僅1 nm，其中1 nm 的Si3N4 層被氫等離子體刻蝕，還有3 nm 轉(zhuǎn)化為熱導(dǎo)率更高的SiC，極大地降低了界面熱阻（3.1±0.7m2·K·GW-1）。

對(duì)于異質(zhì)外延金剛石的形核層質(zhì)量差、熱導(dǎo)率低的問題，Smith 等[63]也提出了一種混合金剛石晶粒播種的方法，他們使用MOCVD 分別制備了Si 基GaN 和Si 基AlN 兩個(gè)樣品，在兩個(gè)樣品上使用靜電噴霧法分兩步播種微米金剛石（2±1 μm）和納米金剛石（3.3±0.6nm），然后使用微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法（MWCVD）生長(zhǎng)了厚金剛石層。發(fā)現(xiàn)在Si 基GaN 上金剛石和GaN 大部分在冷卻時(shí)分層，未分層的樣品在結(jié)合面也有大的間隙或裂紋，而在Si 基AlN 上金剛石和AlN 結(jié)合良好，熱面熱阻低（1.47±0.35 m2·K·GW-1），遠(yuǎn)小于僅使用納米金剛石引晶生長(zhǎng)的界面熱阻（67±58 m2·K·GW-1）。這種方法制備的金剛石形核層大部分為微米金剛石，納米金剛石填充了微米金剛石之間的空隙，大幅減小了金剛石形核層熱阻，但是沒有使用該方法制備GaN/AlN/金剛石結(jié)構(gòu)樣品。

金剛石在GaN 上異質(zhì)外延的過程中，通常是在700~1000℃的高溫環(huán)境中[64]，由于金剛石與GaN 材料之間存在大的熱膨脹系數(shù)失配，在金剛石生長(zhǎng)完成冷卻下來后，在金剛石與GaN 之間會(huì)存在1 GPa 左右的應(yīng)力。Jia 等[65]針對(duì)熱應(yīng)力的問題，提出了一種GaN 兩側(cè)生長(zhǎng)金剛石的方法，首先在GaN 上層沉積2 μm 厚Si 層，然后在Si 層上低溫、高甲烷濃度沉積低質(zhì)量犧牲層金剛石，GaN 下層先去除原襯底、沉積SiN 保護(hù)層，再沉積高質(zhì)量金剛石作為散熱層。如圖11 所示，制備了金剛石-GaN-金剛石結(jié)構(gòu)，犧牲層金剛石和散熱層金剛石共同分擔(dān)了GaN 收縮帶來的應(yīng)力，在經(jīng)過退火、去除Si 層和犧牲層金剛石后，GaN/金剛石結(jié)構(gòu)的GaN 層有0.5 GPa 的張應(yīng)力，GaN轉(zhuǎn)移過程產(chǎn)生的應(yīng)力得到有效緩解。

2.3 GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)

2.3.1 金剛石鈍化層散熱技術(shù)

金剛石鈍化散熱技術(shù)，是一種利用金剛石薄膜替換原有源區(qū)的傳統(tǒng)鈍化層SiNx 的技術(shù)，使用金剛石包覆器件層，可以顯著提高器件的性能。相比其他技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于金剛石層與熱源接近，散熱效率更高，但是存在金剛石層生長(zhǎng)工藝與GaN 器件層工藝的兼容性問題。

金剛石鈍化層通常使用異質(zhì)外延的方法制備，如MPCVD、HFCVD 等，這些方法都需要高溫、富氫等離子體的條件，GaN 會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的刻蝕、分解，為了解決這個(gè)問題，通常在GaN 器件層上沉積保護(hù)層用于保護(hù)GaN，且由于金剛石和GaN 之間大的熱膨脹失配，需要在低溫環(huán)境中沉積金剛石鈍化層，減小應(yīng)力。例如Yaita 等[66]在沉積金剛石鈍化層之前，先沉積40 nm 厚SiNx 層，然后在700℃的溫度下沉積了2.5 μm 厚金剛石鈍化層，由于沉積溫度較低，金剛石層熱導(dǎo)率僅為200 W·m-1·K-1，但是GaN 器件的熱阻也從12.7mm·K·W-1 降低到7.4 mm·K·W-1，降幅達(dá)到了41.7%。國(guó)內(nèi)南京電子器件研究所Guo 等[67]進(jìn)一步優(yōu)化工藝，采用柵前金剛石的方法，使用三步金剛石刻蝕技術(shù)和20 nm SiN 保護(hù)層，成功在GaN HEMTs 器件的頂端制備了500 nm 厚的金剛石鈍化散熱層，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖12 所示。經(jīng)測(cè)試，金剛石/GaN HEMTs 的熱阻比傳統(tǒng)SiN/GaN HEMTs 低21.4%，截止頻率為34.6 GHz，比SiN/GaN HEMTs 提高了1.8%，尤其是電流電壓(VGS=1 V)和小信號(hào)增益（10 GHz）分別提高了27.9%和36.7%。金剛石鈍化散熱技術(shù)具有很好的應(yīng)用前景，但是制備過程需要高精度的加工工藝，同時(shí)，由于金剛石膜沉積溫度低，導(dǎo)致其晶體質(zhì)量不高，無法發(fā)揮金剛石導(dǎo)熱率高的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

2.3.2 金剛石襯底外延技術(shù)

隨著金剛石制備技術(shù)不斷發(fā)展和完善，金剛石襯底異質(zhì)外延GaN 技術(shù)也被用于改善散熱需求，和金剛石襯底異質(zhì)外延GaN 技術(shù)一樣，也存在熱膨脹系數(shù)失配和晶格失配的問題，會(huì)使GaN 外延層發(fā)生剝離或破裂，需要使用額外的緩沖層緩解失配。同時(shí)金剛石襯底質(zhì)量對(duì)GaN 外延層質(zhì)量也有很大影響，現(xiàn)在常用(111)單晶金剛石作為襯底，但是成本昂貴[68-71]。Pantle 等[72]研究了單晶金剛石取向和緩沖層對(duì)GaN 質(zhì)量的影響，在(111)單晶金剛石、(001)單晶金剛石和具有AlN 緩沖層的(001)單晶金剛石上使用MBE 工藝選擇性沉積了GaN 納米線，GaN 納米線結(jié)構(gòu)如圖13所示，在(111)金剛石上生長(zhǎng)的GaN 納米線具有一致的形貌，在(001)金剛石上生長(zhǎng)的GaN 納米線有多重形核和聚結(jié)。在具有AlN 緩沖層的(001)金剛石上生長(zhǎng)的GaN納米線有最一致的形貌，表面光滑，生長(zhǎng)偏轉(zhuǎn)角度小，且缺陷最少。Xu 等[73]在多晶金剛石上使用MOCVD 工藝生長(zhǎng)了GaN 薄膜，發(fā)現(xiàn)在具有2.5 nm h-BN 插入層和1000℃低溫AlN 層時(shí)GaN 層晶體質(zhì)量最好，相比沒有h-BN 插入層的GaN 層，其表面光滑，(002)搖擺曲線的半峰全寬從4.67°降低到1.98°。

Ahmed 等[74-75]結(jié)合了GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)和金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)，工藝步驟如圖14 所示，在GaN 表面使用PECVD沉積一層SiNx 保護(hù)層，而后使用納米金剛石顆粒和光刻工藝相結(jié)合的方法，經(jīng)過納米金剛石加光刻膠旋涂、UV 曝光、顯影、干燥和刻蝕過程，在SiNx 保護(hù)層上選擇性的沉積多晶金剛石層，刻蝕掉未被金剛石覆蓋的SiNx 保護(hù)層部分，暴露出GaN 層，之后在暴露的GaN 和金剛石上層使用優(yōu)化的MOCVD 工藝橫向外延過生長(zhǎng)GaN 層，再生長(zhǎng)GaN 層質(zhì)量比原始GaN有更好的結(jié)晶度和更低的缺陷密度，但是由于金剛石與GaN 熱膨脹系數(shù)失配較大，以及多晶金剛石的粗糙表面(RMS>30 nm)，在金剛石與GaN 之間出現(xiàn)了圖15 所示的孔隙和空洞，進(jìn)一步降低金剛石表面粗糙度也許可以獲得完全結(jié)合的界面。

3.總結(jié)與展望

本文對(duì)近年來金剛石和GaN 集成技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。GaN 功率器件的高功率密度優(yōu)勢(shì)受制于其襯底材料的低導(dǎo)熱率而無法完全發(fā)揮，使用高導(dǎo)熱率的金剛石作為器件的鈍化層和襯底層，可以大幅度降低器件熱點(diǎn)溫度，提高器件功率密度。對(duì)于各種金剛石與GaN 的集成技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)以及可能的改進(jìn)方法可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）鍵合技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于鍵合溫度普遍較低，鍵合后金剛石與GaN 之間熱應(yīng)力小，對(duì)GaN 層的熱損傷小，缺點(diǎn)在于鍵合層質(zhì)量、厚度難以控制導(dǎo)致鍵合層熱阻高，且大尺寸、低粗糙度、低彎曲度的金剛石獲取成本高，可以從鍵合后處理工藝以及鍵合設(shè)備開發(fā)入手，還需要優(yōu)化金剛石精密拋光工藝，探索新型金剛石表面處理技術(shù)；

（2）GaN 異質(zhì)外延金剛石技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于金剛石與GaN 結(jié)合強(qiáng)度高，結(jié)合均勻性好，但是由于金剛石與GaN 之間的熱膨脹失配和晶格失配，冷卻后金剛石與GaN 之間熱應(yīng)力大，可能導(dǎo)致分層或外延層開裂，還存在保護(hù)層、金剛石形核層熱阻高的問題，可以從金剛石低溫沉積以及提高形核層晶粒尺寸、減小形核層厚度入手，同時(shí)探索新型保護(hù)層材料和保護(hù)層制備工藝；

（3）金剛石異質(zhì)外延GaN 技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于可以使用大尺寸高導(dǎo)熱率金剛石作為散熱層襯底，但是也存在熱膨脹失配和晶格失配的問題，同時(shí)緩沖層熱阻高，可以從開發(fā)新型緩沖層或多層緩沖層入手，以減小熱應(yīng)力和緩解晶格失配。

總的來說，目前的金剛石與GaN 集成技術(shù)已經(jīng)大大提升了GaN 的實(shí)際應(yīng)用功率密度，但是仍有許多問題亟需解決。目前的研究大多是對(duì)器件層或襯底層單獨(dú)的研究，將其高效的結(jié)合起來，金剛石用于GaN 功率器件的三維散熱，將大幅度降低器件溫度，有望在未來完全發(fā)揮GaN 的高功率密度高頻率優(yōu)勢(shì)。

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