当今社会对更强大的电子设备的需求被我们生产高导电半导体的能力所限制，这种半导体能够承受高功率设备严酷的高温制造过程。
氮化镓(GaN)在金刚石上显示出作为下一代半导体材料的前景，因为这两种材料的宽带隙，允许高导电性，以及金刚石的高导热性，使其成为一种优越的散热衬底。亚博网站下载有人曾试图通过将这两种成分与某种形式的过渡层或粘附层结合来创建GaN-on-diamond结构，但在这两种情况下，额外的层都严重干扰了金刚石的热导率——破坏了GaN-diamond组合的一个关键优势。
“因此需要一种能够直接集成金刚石和氮化镓的技术。”大阪市大学(OCU)工学研究生院副教授、该研究的第一作者梁建波说。“然而，由于它们的晶体结构和晶格常数的巨大差异，在GaN上直接生长金刚石和反之是不可能的。”
在没有中间层的情况下将两个元件熔合在一起，称为晶圆直接键合，是避免这种不匹配的一种方法。然而，为了在许多直接键合方法中产生足够高的键合强度，需要在所谓的后退火过程中将结构加热到极高的温度（通常为500℃）。由于热膨胀失配，这通常会导致不同材料的粘结样品出现裂纹——这一次使GaN金刚石结构在制造过程中经受住高功率器件所经受的极高温度的可能性大大降低。亚博网站下载
“在之前的工作中，我们使用表面激活键合(SAB)在室温下成功地制造了各种与金刚石的界面，所有这些都表现出了高热稳定性和极好的实用性。”该研究的负责人直川教授说。
正如《华尔街日报》本周报道的那样先进材料亚博网站下载来自东北大学、佐贺大学和坚定的Namiki Precision Jewel的梁、Shigekawa和他们的同事。使用SAB方法成功地将GaN与金刚石键合，并证明即使加热到1000℃时，键合仍然稳定。
SAB在室温下通过原子清洗和激活粘接表面，使其在相互接触时发生反应，从而在不同材料之间产生高强度的粘亚博网站下载接。
由于GaN的化学性质与研究团队过去使用的材料完全不同，在他们使用SAB创造了GaN-on-diamond材料后，他们使用了各种亚博网站下载技术来测试键合位点或异质界面的稳定性。为了表征异质界面GaN中的残余应力，他们使用了微拉曼光谱、透射电子显微镜(TEM)和能量色散x射线光谱，揭示了异质界面的纳米结构和原子行为。电子能量损失谱(EELS)显示了碳原子在异质界面上的化学键态，并在700℃下测试了异质界面的热稳定性2.气体环境压力,“这是GaN基功率器件制造工艺所必需的”，梁说。
结果表明，在异质界面上形成了一个约5.3nm的中间层，该中间层由非晶态碳和金刚石组成，其中分布着Ga和N原子。随着团队提高退火温度，他们注意到层厚度减少，"由于无定形碳直接转化为金刚石，"正如Shigekawa所说。在1000℃退火后，该层减小到1.5nm，“建议通过优化退火工艺，可以完全去除中间层。”教授继续说。虽然随着退火温度的升高，异质界面的抗压强度有所提高，但它们与晶体生长形成的金刚石结构上的GaN并不匹配。
然而由于在1000℃退火后，在异质界面上未观察到剥落梁说,，"these results indicate that the GaN/diamond heterointerface can withstand harsh fabrications processes, with temperature rise in gallium nitride transistors being suppressed by a factor of four."
来源:https://www.osaka-cu.ac.jp/en