随着诸如高电子迁移率晶体管（HEMTs）等氮化镓（GaN）器件的输出功率密度不断提高，热点热通量的散热问题变得愈发重要。氮化镓覆金刚石结构是提高散热能力的一种很有前景的解决方案，它可以通过将诸如蓝宝石[1]、硅[2]、碳化硅[3,4]或块状氮化镓[5]等原始衬底替换为具有高导热率的金刚石衬底来实现[6]。我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，
因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如
GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge 、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体，陶瓷，等等)
扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围
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制造氮化镓覆金刚石结构有三种方法：（1）在氮化镓上生长金刚石[7]；（2）在金刚石上生长氮化镓[8,9]；（3）氮化镓 - 金刚石键合[10,11]。在氮化镓上生长金刚石时，通常采用化学气相沉积（CVD）技术，需要在600℃以上并借助氮化硅（SiN）等籽晶层来进行，这会产生不必要的成核层和热应力[7]。在金刚石上生长氮化镓的方法中，使用单晶金刚石作为氮化镓外延生长的衬底，这使得产品成本极高[8,9]。与顺序生长工艺不同，氮化镓 - 金刚石键合是一种并行工艺，在键合步骤之前，氮化镓外延层和金刚石衬底可以并行制备。D. 弗朗西斯（D. Francis）及其同事报道了在高于700℃的高温下通过晶圆键合实现氮化镓覆金刚石的方法[10]。J. C. 金（J. C. Kim）等人则利用放电等离子烧结工艺进行氮化镓 - 金刚石键合[11]。上述三种方法存在的一个主要问题是，它们都需要在600 - 1000℃的高温工艺下进行，由于氮化镓和金刚石之间热膨胀系数（CTE）存在较大差异，这会导致相当大的应力以及晶圆翘曲。此外，高温工艺还可能引起键合结构的化学变化和损伤[7 - 11]。 为克服高温引发的这些问题，制造氮化镓覆金刚石结构需要采用低温工艺。低温晶圆键合是一种很有前景的方法，因其在诸如绝缘体上硅（SOI）制造、异构集成以及先进封装等多种应用中，在低于400℃的温度下取得了成功[12 - 14]。潘 - 钱·赵（Pane - Chane Chao）及其同事[3]利用一层薄薄的硅基粘合剂在低于150℃的温度下对氮化镓和金刚石进行键合。他们的研究结果表明，氮化镓覆金刚石器件的功率密度可比行业标准的氮化镓覆碳化硅器件提高3.6倍。刘等人[12]也通过在180℃下利用一层30 - 40纳米厚的粘附层实现了氮化镓 - 金刚石键合。他们在功率耗散为10瓦/毫米的情况下，对1.25毫米的氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）进行了晶圆上红外测量，发现将其转移到金刚石衬底后，器件的结温峰值从241℃降至191℃。然而，这两项低温键合工作[3,12]的键合过程细节以及界面微观结构尚未公开披露。 在本研究中，我们提议采用改进的表面活化键合（SAB）方法在室温下对氮化镓和多晶金刚石进行键合。据我们所知，这是首次在室温下实现氮化镓 - 金刚石键合的工作。 键合过程是在一台改进的表面活化键合（SAB）设备中进行的，该设备与先前发表文献[15]中所描述的设备非常相似。在键合前，将表面活化键合（SAB）设备的背景真空压力保持在\(1.7×10^{-5}\)帕。使用功率为1.3千伏、电流为400毫安的氩离子束进行表面活化以及溅射沉积硅纳米层。在对氮化镓和金刚石的表面都进行预处理后，将这两个样品在室温下通过接触和挤压的方式进行键合。 我们购买了生长在硅上的多晶金刚石薄膜用于键合演示。金刚石薄膜的厚度约为900纳米，金刚石样品的尺寸为1厘米×1厘米。金刚石表面已经过精心抛光处理，变得很光滑。实验使用的是一块生长态的氮化镓模板，它是在约430微米厚的蓝宝石衬底上生长的约2微米厚的氮化镓外延层。利用动态力显微镜（DFM）对用于键合的氮化镓模板和金刚石芯片两个表面的粗糙度进行了测量。图1展示了用于键合的原始表面其中一处位置的动态力显微镜（DFM）图像。氮化镓表面和金刚石表面的均方根（RMS）平均表面粗糙度分别约为0.4纳米和1.0纳米。在室温下完成键合后，通过扫描透射电子显微镜（STEM）和能量色散X射线光谱仪（EDX）对键合界面进行了分析。 图1. 用于键合的原始样品表面其中一处位置的动态力显微镜（DFM）图像：（a）氮化镓（GaN）表面；（b）金刚石表面。图2. （a）键合界面的低倍率图像；（b）键合界面的高倍率图像；（c）、（d）分别为（b）图中标记为1和2的两个方形区域的放大图像。图3. （a）键合界面的高分辨率低角度环形暗场扫描透射电子显微镜（STEM）图像，其后是（b）其高分辨率能量色散X射线光谱（EDX）元素分布图：碳（C）元素分布图为红色，硅（Si）元素分布图为青色，氩（Ar）元素分布图为白色，镓（Ga）元素分布图为粉色，氮（N）元素分布图为绿色。硅（Si）元素分布图展示了两次以方便对比。氮化镓 - 金刚石的键合界面如图2所示。图2（a）是键合界面的低倍率图像，清晰地展示了均匀的氮化镓覆金刚石键合结构。图2（b）展示了键合界面的高倍率图像，可借此对界面结构进行表征。可以看到，在氮化镓与金刚石之间存在三个非晶层，且没有任何裂纹或纳米空洞。以两个三角形标识的硅 - 硅键合界面很容易被发现。两个相邻的、厚度约为12纳米的非晶层可认定为沉积的硅层。根据先前的研究[16 - 19]，在沉积的硅层与多晶金刚石之间厚度约为3纳米的另一个非晶层很可能是由离子束轰击产生的非晶金刚石层。图2（b）中方框标识的两个区域被进一步放大，以分别查看沉积的硅层与氮化镓之间以及沉积的硅层与金刚石之间的界面，如图3（c）和（d）所示。与沉积的硅层和金刚石之间的界面不同，沉积的硅层和氮化镓之间的界面没有明显的中间层，比如非晶氮化镓层。根据先前分子动力学模拟的相关研究[20]推测，这可能是由于在离子束轰击过程中及轰击后，随着注入的氩原子逸出，氮化镓发生了再结晶所致。 为了更清晰地了解该界面，图3展示了键合界面的高分辨率低角度环形暗场扫描透射电子显微镜（STEM）图像，以及其后的高分辨率能量色散X射线光谱（EDX）元素分布图。碳（C）、硅（Si）、镓（Ga）、氮（N）和氩（Ar）元素分布图分别用红色、青色、粉色、绿色和白色突出显示。通过对比不同元素的EDX分布图可以发现，硅元素部分和碳元素部分存在重叠，这表明沉积的硅被注入到了非晶金刚石层中。这意味着在沉积的硅层与非晶金刚石之间形成了一个薄的过渡层，有助于沉积的硅层在金刚石上良好附着。硅元素部分和碳元素部分之间没有明显重叠，但硅元素部分和氮元素部分明显重叠，这表明在沉积的硅层与氮化镓衬底之间也存在一个薄的过渡层，尽管在图2（c）中看不到这一过渡层。这与先前关于氮化镓 - 硅直接键合的文献[21]中推断的表面活化过程中的富镓现象不一致。这种差异可能是由于硅溅射沉积造成的，在此过程中，镓可能已经扩散到中间的硅层中，从而导致了过渡层的形成。如果仔细观察镓元素分布图，可以追踪到在氮化镓一侧附近有轻微的镓扩散现象。此外，通过明显可以确认氩元素部分和碳元素部分的重叠，这表明用于表面活化的氩原子也被注入到了金刚石中，并且通过对比硅元素分布图和氩元素分布图可知，氩原子注入的深度比硅原子更深。然而，根据硅、氩和镓元素分布图之间的对比，氩原子并未注入到氮化镓中。这与伴随着注入的氩原子逸出而发生的氮化镓再结晶现象相符[20, 21]。 总之，通过使用我们改进的表面活化键合（SAB）方法，首次在室温下成功实现了氮化镓与金刚石的键合，制造出了均匀的氮化镓覆金刚石结构。基于扫描透射电子显微镜（STEM）对微观结构的观测，确认了存在一个无缝的键合界面，其具有约27纳米厚的中间界面层。该界面层主要由两层沉积的硅层和一个非晶金刚石层组成。根据能量色散X射线光谱（EDX）元素分布图的分析结果，在金刚石与沉积的硅层之间以及沉积的硅层与氮化镓之间均存在过渡层，这应归因于硅纳米层的溅射沉积。后续将进一步开展使用更薄的硅纳米层进行氮化镓 - 金刚石键合的研究以及对键合界面热阻的测量工作。这项工作有望对高功率氮化镓器件的应用有所帮助。 本研究部分得到了日本文部科学省2011年度科学研究费补助金（A类）23246125号项目的支持。
