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芯片制造工藝流程包括光刻、刻蝕、擴(kuò)散、薄膜、離子注入、化學(xué)機(jī)械研磨、清洗等等，在前面的文章我們簡要的介紹了各個(gè)工藝流程的細(xì)節(jié)，這篇文章大致講解這些工藝流程是如何按順序整合在一起并且制造出一個(gè)MOSFET的。

1.我們首先擁有一個(gè)硅純度高達(dá)99.9999999%的襯底。

2.在硅晶襯底上生長一層氧化薄膜。

3.均勻的旋涂上光刻膠。

3.通過光掩膜進(jìn)行光刻，把光掩膜板上的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上

4.感光區(qū)域的光刻膠顯影之后被清洗掉。

5.通過刻蝕把沒有被覆蓋光刻膠的氧化薄膜刻蝕掉，這樣把光刻圖案轉(zhuǎn)移到晶圓上了。

6.清洗去掉多余的光刻膠。

7.再長一層較薄的氧化膜。之后再通過上面的光刻和刻蝕，只保留柵極區(qū)域的氧化膜。

8.在上面生長一層多晶硅

9.和第7步一樣通過光刻和刻蝕，只保留柵氧化層上面的多晶硅。

10.在進(jìn)行光刻清洗覆蓋住氧化層和柵極，這樣就對整片晶圓進(jìn)行離子注入，就有了源極和漏極。

11，在晶圓上面生長一層絕緣薄膜。

12.通過光刻和刻蝕把源極、柵極和漏極的接觸孔刻蝕出來。

13.再在刻蝕的地方進(jìn)行金屬的沉積，這樣就有了源極、柵極和漏極的導(dǎo)電金屬線了。

最后通過各種工藝的組合就制造出來一個(gè)完整的MOSFET。

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其實(shí)芯片的底層就是大量的晶體管組成的。

金剛石/GaN 異質(zhì)外延與鍵合技術(shù)研究進(jìn)展

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，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。針對金剛石與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)勢和應(yīng)用領(lǐng)域及面臨的挑戰(zhàn)，對上述集成技術(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[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[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)2400 W·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Akash Systems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13.84μm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4.4 MPa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GaN層的損傷。

金剛石表面粗糙度控制對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3.7 nm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1 MPa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8.19 MPa，有3nm由sp2-C、Ga和O組成的鍵合層。親水鍵合的方法相對于表面活化鍵合，步驟簡單，對設(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11 nm 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650μm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，工藝簡單，對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熱阻有很大影響，很多研究人員對此展開了研究。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 nm Si3N4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1012 cm-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±0.7 m2·K·GW-1）。

對于異質(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±1μm）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]針對熱應(yīng)力的問題，提出了一種GaN兩側(cè)生長金剛石的方法，首先在GaN上層沉積2μm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2.5μm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，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)金剛石上生長的GaN納米線具有一致的形貌，在(001)金剛石上生長的GaN納米線有多重形核和聚結(jié)。在具有AlN緩沖層的(001)金剛石上生長的GaN納米線有最一致的形貌，表面光滑，生長偏轉(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GaN層，再生長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。

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