近日，中科院微電子所的高頻高壓中心傳來喜訊，劉新宇研究員團隊攜手天津中科晶禾公司等單位，在厚膜氮化鎵（GaN）與多晶金剛石直接鍵合技術領域取得了顯著進展。該研究不僅攻克了多晶金剛石表面形貌的難題，更在室溫下實現了與厚膜GaN的高效直接鍵合，為晶圓級多晶金剛石鍵合技術的開發和應用開辟了新的道路。

       據悉，研究團隊采用了先進的動態等離子體拋光（DPP）技術，將多晶金剛石表面的凸起尖峰高度顯著降低到1.2nm，同時獲得了表面粗糙度僅為0.29nm的光滑表面。在此基礎上，結合表面活化鍵合方法，團隊成功在室溫下將約370μm的GaN與約660μm的多晶金剛石襯底實現直接鍵合，鍵合率高達約92.4%，且該結構能在-55℃至250℃的寬溫度范圍內穩定工作。

       近年來，GaN/金剛石異質集成技術因其在制造高可靠性、大功率密度GaN基高電子遷移率晶體管（HEMT）方面的巨大潛力而備受關注。晶圓直接鍵合技術因其高界面熱導和低熱應力的優勢，在材料與器件集成領域展現出廣闊的應用前景。然而，該技術對材料表面的平整度和粗糙度要求極高，這成為制約其進一步發展的關鍵因素。

       目前，雖然單晶金剛石通過化學機械拋光技術（CMP）能夠獲得較低的表面粗糙度和高平整度，但單晶金剛石的大尺寸生長難題和高昂成本限制了其廣泛應用。相比之下，多晶金剛石具有成本低、尺寸大等優點，但其表面形貌的復雜性和不均勻性使得CMP技術難以滿足直接鍵合的要求。同時，厚膜GaN在鍵合過程中也面臨著應力問題，進一步增加了技術難度。

       此次研究團隊采用的動態入射角度等離子體拋光技術，在解決多晶金剛石表面形貌問題上取得了突破性進展。該技術能夠在無壓力狀態下實現對多晶金剛石表面的精細處理，有效降低了其表面粗糙度和凸起尖峰高度。同時，結合原位硅納米層沉積輔助的離子束表面活化鍵合方法，團隊成功實現了厚膜GaN與多晶金剛石的異質集成，且鍵合率高達約92.4%。

       此外，研究團隊還利用變溫共焦拉曼光譜技術，深入研究了GaN/金剛石鍵合界面在寬溫度范圍內的殘余應力變化規律。研究發現，常溫鍵合界面存在約200 MPa的殘余應力，且隨著溫度的升高，界面應力呈現出不對稱增加的特點。這主要是由于GaN與硅納米鍵合輔助層具有相近的熱膨脹系數（CTE），而金剛石與硅納米鍵合輔助層的CTE差異較大。這種不對稱的應力分布進一步證明了非晶硅納米層作為緩沖層在釋放應力方面的有效性。

       該研究以《Heterogeneous integration of thick GaN and polycrystalline Diamond at room temperature through dynamic plasma polishing and surface-activated bonding》為題，發表在權威期刊《Journal of Alloys and Compounds》上。王鑫華研究員、母鳳文博士為論文的共同通訊作者，高潤華博士為論文的第一作者。該研究的順利進行得到了國家自然科學基金項目、北京市科委項目等資助的支持。

       采用動態等離子體拋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 

       這一重要突破不僅為厚膜氮化鎵與多晶金剛石異質集成技術的發展提供了新的思路和方法，也為未來高功率、高可靠性電子器件的研制和應用奠定了堅實基礎。隨著研究的深入和技術的不斷完善，相信這一領域將會取得更多突破性成果，為電子產業的發展注入新的活力。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174075