編輯推薦：本文透過典型的表面清潔和低溫退火工藝在大氣條件下直接將氧等離子體活化的InP 基板鍵合在NH3/H2O2處理過的金剛石襯底上，以實現高效散熱，為下一代高頻和高功率操作的InP器件電晶體的製備提供了先進的熱管理。
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。隨著電子裝置的小型化和高功率執行需求漸漲，這些高功率密度裝置的散熱問題成了積體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。而目前關於 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團隊透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，隨後將InP/金剛石複合樣品在 250°C 下退火，
使兩種材料透過厚度為 3 nm 的非晶中間層形成了剪下強度為 9.3 MPa 的原子鍵。
相關論文以題為“Low‑temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”發表在Scientific Reports。
論文連結：
該研究團隊透過大量金剛石與其他半導體材料襯底（如矽、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透過大約 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啟用的 InP 鐳射器和 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，並研究了 InP/金剛石鍵合介面的奈米結構，如圖 1 所示。
圖1
圖2為結合在 InP 襯底表面的金剛石基板，可以透過透明的金剛石基板觀察到兩者的鍵合介面。同時可以觀察到兩層基板之間的間隙引起的漫反射，如果環境清潔度和基板表面平整度得到改善，則大部分接觸區域將形成直接鍵合。對結合的金剛石基底上施加 9。3 MPa（84 N for 3 × 3 mm）的剪下力時，結合介面處產生斷裂，通時沿 InP（110）面發生解理。該團隊之前的研究中，Si/金剛石和Ga2O3/金剛石的剪下強度分別為 31。8 和 14 MPa。雖然InP/金剛石的鍵合介面較低，但已滿足 MIL STD 883E 的晶片剪下強度要求。
圖2
襯底表面需要足夠光滑才能形成直接粘合，其均方根（RMS）粗糙度最好小於~ 5 Å。表面需要足夠光滑才能直接粘合；本研究中使用的金剛石基材具有原子級光滑的表面，RMS 粗糙度小於 3 Å；InP 襯底表面的 RMS 粗糙度最初為 2。76 ± 0。3 Å，而氧等離子體刻蝕後的表面粗糙度為3。03 ± 0。3 Å；對於形成鍵合來說足夠光滑，圖3為原子力顯微鏡AFM下的InP表面形貌。
圖3
透過角分辨 X 射線光電子能譜 （XPS） 研究了InP襯底的表面化學成分，如圖 4 所示。測量深度取決於光電子的（take-offangle），掠出角為10。75° 和 63。25°時，非彈性平均自由程 （IMFP） 的計算值分別大約1和4nm。
圖4
在等離子體刻蝕之前，In-O 和 P-O 鍵的數量相對較少，並且襯底表面存在有機汙染物。這表明表面檢測到的 OH 基團可能是由汙染物中的 C-OH 鍵引起的。而在等離子體處理後，有機汙染物已被刻蝕殆盡，而InP 表面依然存在In-O 和 P-O鍵。因此，在表面檢測到的 OH 鍵可能歸因於InP 襯底上產生的 In-OH、P-OH，表明InP 和金剛石襯底上的 OH 基團可能在鍵合過程中相互反應。
使用聚焦離子束 （FIB） 將InP樣品減薄至10μm後，使用透射電子顯微鏡 （TEM） 觀察 InP/金剛石結合介面的奈米結構，如如圖 5 所示。可在InP和金剛石基板接合介面處觀察到厚度約為 3 nm 的非晶層，而且兩者之間沒有形成裂紋或奈米空隙的原子鍵。
圖5
使用能量色散X射線光譜 （EDX） 進行成分分析，如圖6所示。鍵合介面的非晶層由In、P、O和C組成，為典型的透過氧等離子體處理後的結果；而C原子據推測擴散到由氧等離子體形成的InP襯底上的氧化物層中。雖然中間過渡層的熱導率較低，但與傳統方法（例如 2–4 µm 厚的金屬層）相比非常薄。因此， InP/金剛石鍵合技術將有助於InP電子器件的有效散熱。
圖6
總的來說，
本文提供了一種將InP和金剛石襯底直接鍵合的工藝，以改善InP基電子裝置的散熱情況
。該工藝透過由氧等離子體處理的InP襯底與在大氣條件下用NH3、H2O2和H2O的混合物清洗過的金剛石襯底接觸，然後在250 °C下對接觸的樣品進行退火來形成直接鍵合。由於在預鍵合處理後兩個基底表面都是原子級光滑的，因此InP和金剛石基板成功地產生了剪下強度為 9。3 MPa 的直接鍵合。介面分析表明，它們透過厚度約為3 nm的非晶中間層結合，沒有裂紋或奈米空隙。由於可以透過簡單的程式實現先進的熱管理，因此這種鍵合技術將有助於未來具有更高整合度和功率密度的InP半導體電子器件。
但作為一個以熱管理為目的的鍵合工藝，筆者認為，InP/金剛石複合材料的熱導率測量與散熱效率類比應該是必不可少的。但文中提供的鍵合方式，相比當前製備氮化鎵/金剛石、矽/金剛石等複合材料的異質外延化學氣相沉積（CVD）、磁控濺射等工藝簡單高效了不少，並降低了生產成本，有助於新型整合半導體電子材料的快速量產。（文：Silas）
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