近日，微电子所高频高压中心刘新宇研究員团队与天津中科晶禾公司等单位合作在厚膜氮化镓（GaN）与多晶金刚石直接键合技术领域取得了新进展。本研究采用动态等离子体抛光（DPP）技术，将多晶金刚石表面凸起尖峰高度从15nm降至1.2nm，获得了表面粗糙度为0.29nm的光滑表面，并结合表面活化键合方法在室温下实现了~370μm GaN与~660μm多晶金刚石衬底的直接键合，键合率达~92.4%，可耐受-55℃~250℃环境温度，为晶圆级多晶金刚石键合提供了有效技术途径。

近年來，GaN/金剛石異質集成方法成爲實現高可靠性、大功率密度的GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）的有效途徑之一。晶圓直接鍵合技術具有高界面熱導、低熱應力的優勢，在材料與器件集成方面頗具前景，但對材料表面面型和粗糙度等質量要求較高。目前，單晶金剛石通過化學機械抛光技術（CMP）可勉強獲得直接鍵合所需的低表面粗糙度和高平整度等條件，可在前期實現小尺寸直接鍵合。然而，單晶金剛石的大尺寸生長難題極大限制了其應用，成本也居高不下。多晶金剛石具有成本低、尺寸大等優點，但其存在晶粒間界多、應力不均勻、凹坑與凸起不規則等諸多問題，使得CMP技術很難同時滿足表面粗糙度、表面平整度等要求，難以實現直接鍵合。另一方面，厚膜GaN可結合Smart-Cut^?等技術實現複合半導體制造和異質結構建，但厚膜GaN鍵合同時面臨著更大應力問題。目前，關于厚膜GaN與多晶金剛石的直接鍵合研究非常少。

本研究采用动态入射角度的等离子体抛光技术，在无压力状态下解决多晶金刚石平整度和粗糙度等表面形貌问题，并结合原位硅纳米层沉积辅助的离子束表面活化键合方法，达成了厚膜GaN与多晶金刚石的异质集成，键合率达~92.4%。团队通过变温共焦拉曼光谱技术，研究了GaN/金刚石键合界面在-55℃到250℃温度范围内的残余应力及其随温度变化的规律，发现GaN/金刚石常温键合界面存在~200 MPa的残余应力，且温度升高时界面应力呈不对称增加，即金刚石一侧应力显著增加，而GaN一侧应力变化不大。这归因于GaN与硅纳米键合辅助层具有相似的热膨胀系数（CTE），而金刚石与硅纳米键合辅助层CTE相差较大。这种不对称的界面应力证明了非晶硅纳米层作为缓冲层释放应力的有效性。

該研究以《Heterogeneous integration of thick GaN and polycrystalline Diamond at room temperature through dynamic plasma polishing and surface-activated bonding》为题发表在《Journal of Alloys and Compounds（Volume 985,25 May 2024, 174075；DOI:10.1016/j.jallcom.2024.174075）。王鑫华研究員、母凤文博士为論文共同通讯作者，高润华博士为論文第一作者。研究得到国家自然科学基金项目、北京市科委项目等资助。

《Journal of Alloys and Compounds》期刊服务于材料学家、物理学家和化学家的跨学科团体，专注于各种材料的合成与结构的研究，以及传统合金化合物的与新学科之间的交互。

論文链接 ：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174075。

采用動態等離子體抛光技術和高真空表面活化鍵合技術實現厚膜GaN與多晶金剛石的常溫直接鍵合