日本國立物質材料研究所：金剛石作為散熱材料在氮化鎵基電子器件中的應用

近年來，隨著氮化鎵（GaN）基微波功率器件輸出功率的提高及器件尺寸的縮小，散熱問題已成為制約其可靠性和穩定性的重要因素之一。在目前所知的天然物質中，金剛石具有最高的熱導率，是制備GaN基電子器件不可或缺的散熱材料，在高頻高功率AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管的散熱方面極有應用潛力。

實現GaN-on-diamond結構主要有以下3種途徑：1，鍵合法；2，在GaN外延層或HEMT器件上外延生長金剛石；3，在金剛石襯底上外延生長GaN器件。由于GaN和金剛石之間具有較大的晶格失配和熱失配，這3種方法制備的GaN-on-diamond都面臨應力大、界面粗糙和熱邊界電阻大等問題。其中，界面熱阻的存在，使得熱量集中在GaN和金剛石的界面，極大影響了器件的可靠性。

用于HEMTs器件的氮化鎵/金剛石晶圓

日本國立物質材料研究所桑立雯研究員團隊總結不同方法所制備的GaN-on-Diamond結構，以及其對器件性能的影響，詳細介紹不同制備方法測量得到的界面熱阻，同時提出解決思路。相關的成果以“Diamond as the heat spreader for the thermal dissipation of GaN-based electronic devices ”為題，發表在Functional Diamond 雜志上。

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https://doi.org/10.1080/26941112.2021.1980356

大阪市立大等實現GaN與金剛石的直接鍵合，有望解決半導體發熱問題

大阪市立大學梁劍波副教授和重川直輝教授、東北大學金屬材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授和清水康雄博士（現國立研究開發法人物質材料研究機構，簡稱NIMS）、佐賀大學理工學部的嘉數誠教授以及“Adamant并木精密寶石”公司的金圣祐博士等人組成的研究團隊成功實現了氮化鎵（GaN）與金剛石的直接鍵合。GaN元件的性能受發熱限制是一直存在的缺點，但通過鍵合地球上導熱率最高的金剛石，可以將GaN晶體管的溫升控制在以往的四分之一左右。相關成果已經發布于ADVANCED MATERIALS的在線版。

GaN/金剛石鍵合界面的截面TEM圖像（a：實施熱處理前，b：實施1,000℃的熱處理后）（照片由大阪市立大學提供）

實用化，以解決半導體元件的發熱問題，助力人類實現SDGs”。

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https://doi.org/10.1002/adma.202104564

大氣條件下InP和金剛石襯底直接鍵合！實現高效散熱

磷化銦具有高電子傳輸速度、低接觸電阻和大異質結偏移等優勢，被作為下一代高頻高功率電子器件的新型半導體材料。隨著電子設備的小型化和高功率運行需求漸漲，這些高功率密度設備的散熱問題成了集成電路行業發展的絆腳石。金剛石具有固體材料中最高的熱導率 (2200 W/m/K)，以金剛石作為散熱襯底與器件直接鍵合是減小熱阻的理想選擇。而目前關于 InP 和金剛石襯底直接鍵合的研究很少。

來自日本國家先進工業科學技術研究所的Takashi Matsumae團隊通過將氧等離子體活化的 InP 基板和用NH3/H2O2清潔的金剛石襯底在大氣條件下接觸，隨后將InP/金剛石復合樣品在 250°C 下退火，使兩種材料通過厚度為 3 nm 的非晶中間層形成了剪切強度為 9.3 MPa 的原子鍵。相關論文以“Low?temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”為題發表在《Scientific Reports》期刊上。

該研究團隊通過大量金剛石與其他半導體材料襯底（如硅、氧化鎵等）直接鍵合研究發現，在用如H2SO4/H2O2和NH3/H2O2混合物氧化溶液處理過的金剛石表面可形成 OH 基團。此外，OH封端的金剛石表面可通過大約 200 °C 下熱脫水與OH封端的半導體襯底形成直接鍵合。雖然對 InP 和金剛石鍵合的研究很少，但光電子科學家已經實現了氧等離子體激活的 InP 激光器和 Si 波導的直接鍵合 。為此，該研究團隊提出了 InP 和金剛石基板的直接鍵合工藝方案，并研究了 InP/金剛石鍵合界面的納米結構。

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https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4

（來源：DT半導體）