CarbonSemi
论坛时间：2024年4月25-26日
论坛地点：浙江·宁波 宁波香格里拉酒店（浙江省宁波市鄞州区豫源街88号）
论坛规模：500人
论坛主席：江 南，中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员
扫描二维码，立即报名
自从2012年梁剑波教授加入大阪市立大学（2020年，大阪市立大学和大阪府立大学进行合并，更名为日本大阪公立大学）以来，“GaN/金刚石/Ga2O3、键合工艺、界面研究、异质结、界面热阻、热管理……”成为其主页标签。
2013-2016年，梁剑波研究团队成功通过异种材料的常温接合制作出高效率、低成本的InGaP/GaAs/Si串联式太阳能电池；2018年至今，梁剑波研究团队在金刚石与GaN的常温键合领域做出颇多工作与成果，例如首次在常温条件下实现Si和SiC的直接键合，并成功演示Si/SiC异质结双极晶体管的制作；首次在常温条件下实现了半导体材料Si，GaAs，GaN与金刚石的直接键合，键合后的异质界面显示出卓越的耐高温性能……。
目前，梁剑波，现任大阪公立大学副教授及博士生导师，主要专注于金刚石与异质半导体材料的直接键合、高导热异质界面、异质界面的晶体结构以及大功率高效新型半导体器件的研发。近年来，主持了多个研发项目，包括由日本学术振兴会（JSPC）、日本国立研究开发法人新能源・产业技术综合开发机构（NEDO）、日本科学技术振兴机构（JST）等机构资助的国家重点研发课题，以及企业合作研发项目，共计12项。其中，部分成果已成功实现产业化。
同时，与国内外10余家著名科研院所展开多个项目和技术合作，促进了国际科研交流。作为第一作者、通讯作者或指导学生，在国际著名刊物如 "Adv. Mater."，"Nat. Com"，"Small"，"Appl. Phys. Lett"等发表了150余篇论文，同时申请了12项专利，并撰写了8部专著。曾在41次国际学术会议上发表演讲，并受邀在14次国际学术会议上作报告。在国际会议上，多次荣获了最佳发表奖，并在大阪市立大学南部阳一郎（诺贝尔物理学奖获得者）颁发的优秀研究奖和著名刊物优秀审稿奖等多个奖项的认可。目前担任"Functional Diamond"和 "Science Talks" 期刊的编委，同时兼任 "Adv. Mater."，"ACS Appl. Mater. Inter."，"ACS Nano Lett."，"Appl. Phys. Lett"等13家国际期刊的审稿人。
“金刚石与GaN的常温键合”是其近年来的主要研究方向之一。
在之前的研究中，梁剑波教授团队已经证明了GaN和金刚石在室温下通过表面活化键合（SAB）方法能够直接键合，GaN/金刚石键合界面实现了1000°C的热处理下仍保持键合状态，并且对于GaN基器件具有优异的实用性。然而，晶片直接键合技术要求键合材料具有非常高的表面平整度。随后，该团队对大面积键合、界面热传导特性评估、直接与金刚石键合的GaN层晶体管的试制、实用散热演示等研究进行详细开发，并取得系列成果。（Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design, Adv. Mater. 33, 2104564 （2021））
GaN/Diamond键合样品光学图片和键合样品的截面示意图
2022年，梁剑波教授团队，通过沉积7 nm厚的非晶SiC作为中间介质，大大降低SAB技术对金刚石表面粗糙度的要求。1000 ℃热处理后形成的SiC层厚度略有增加，这是因为SiC层中由游离的Si和C生成SiC，且非晶SiC在热处理后变成多晶结构。即使高温处理后键合界面处也没有观察到空隙，这表明金刚石-SiC的键合界面具有优异的热稳定性。研究结果表明，SiC层的沉积可以降低对金刚石表面粗糙度的要求，促进多晶金刚石和半导体材料的室温键合。
相关的成果以“Room-temperature bonding of GaN and Diamond via a SiC layer”为题，发表在《Functional Diamond》杂志上。
2023年，大阪公立大学工学研究生院梁剑波教授和Naoteru Shigekawa共同领导的研究团队成功在金刚石衬底上制造出GaN HEMT。研究团队发现，与SiC衬底上制造的相同形状晶体管相比，这项技术的散热性能翻了两倍多。为了最大限度利用金刚石的高热导率，研究人员在GaN和金刚石之间集成了3C-SiC层（一种立方多型体SiC）。
采用SAB法将硅衬底上生长的AlGaN/GaN/3C-SiC薄膜有效地转移到金刚石衬底上，并在金刚石衬底上成功地制备了GaN-HEMT。键合界面表现出非凡的坚固性，能够承受各种器件制造工艺。即使在1100°C退火后也没有观察到3C-SiC/金刚石键合界面的剥落，这对于金刚石上高质量的GaN晶体生长至关重要。3C SiC/金刚石界面处的热边界电导测量值为119 W/m2∙K，这该技术大大降低了界面的热阻，提高散热性能。相关研究成果以“High Thermal Stability and Low Thermal Resistance of Large Area GaN/3C-SiC/Diamond Junctions for Practical Device Processes”为题发表于《Small》。
梁剑波教授表示：“这项新技术有望大幅减少二氧化碳排放，并可能通过改进的热管理能力彻底改变功率及射频电子的发展。”
GaN HEMT助力电力电子系统朝着更高的效率和功率密度前进。
那么，他们所研究的金刚石与氮化镓键合究竟有着怎样的实际意义？这就不得不提GaN器件存在的意义。
一般禁带宽度大于2 eV的半导体称为宽禁带半导体，也称为第三代半导体。
氮化镓（gallium nitride，GaN）作为第三代半导体材料，具有优异的材料特性，如禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速率高等。GaN电力电子器件主要以GaN高电子迁移率晶体管（high electron mobility transistor，HEMT）为主。由于AlGaN/GaN异质结界面存在高密度的二维电子气（2DEG），所以GaN HEMT具有高电子迁移率、耐高温、耐高压、抗辐射能力强等优越性质，可以用较少的电能消耗获得更高的运行能力。这些特性使得电力，电子系统朝着更高的效率和功率密度前进。
散热问题，制约GaN基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。
在高功率运行时，GaN器件的输出功率受到自热的限制，一般其功率密度往往只能达到8-10 W·mm-1。另外，GaN的性能和可靠性与沟道上的温度和焦耳热效应有关。尤其是，近年来，随着GaN微波功率器件的设计和工艺不断提高和改进，其理论输出功率越来越高（4 GHz，~40 W/mm），频率越来越大，体积越来越小，其可靠性和稳定性受到严重挑战。最主要的原因是GaN基功率器件随着功率密度的增加，芯片有源区的热积累效应迅速增加，导致其各项性能指标迅速恶化，使其大功率优势未能充分发挥。因此，散热问题成为制约GaN基功率器件进一步发展和广泛应用的主要技术瓶颈之一。受传统封装散热技术的限制无法解决这一难题，必须从GaN器件近端结热区着手提升其热传输能力，因此探讨GaN基器件的高效散热课题成为其进一步推进GaN器件发展的重要方向。
金刚石，逐渐成为GaN器件热沉材料的首选。
GaN功率器件一般是在Si衬底上制备的，原始衬底较低的热导率（Si:150 W·mK-1）不能满足器件散热的要求，致使器件性能严重退化，极大的限制了GaN基功率器件的应用。集成到GaN中的SiC和金刚石等衬底可以改善热管理。这使得降低设备的工作温度成为可能。对于GaN-on-SiC器件，沟道温度降低25度将使器件寿命提高10倍左右。对于导热率更高的金刚石衬底，其导热系数是硅的14倍，电场电阻是硅的30倍。高导热性允许热量扩散。金刚石的带隙为5.47ev，击穿场强为10 mv/cm，电子迁移率为2200 cm2其导热系数约为21 w/cm·K，在金刚石衬底上制造的GaN HEMT具有最大漏极电流和最低表面温度。此外，与其他类似结构相比，金刚石衬底上的GaN HEMT与SiC相比热阻降低率最为显著，金刚石逐渐成为GaN器件热沉材料的首选。
各种衬底材料及GaN的常见性能
如何将金刚石与GaN集成？
使用金刚石能有效提高GaN器件近结区散热能力，降低峰值温度，大大提高器件的可靠性。但如何将金刚石与GaN集成成为难点。目前已经报道的金刚石与GaN的集成方法主要分为三类：（1）在金刚石上生长GaN。由于两种材料之间大的晶格失配，以及热膨胀系数差异，在金刚石上生长高质量的GaN相当困难，且生长金刚石后的GaN容易形成高密度位错甚至破裂；（2）在GaN上生长金刚石。在GaN上生长金刚石往往需要在800℃甚至更高温度条件进行，高温工艺容易造成晶圆翘曲以及破裂，并且沉积金刚石前需要先沉积一层介电层，介电层会造成金刚石形核质量差，且形核层热导率低，使得界面热阻较高；
（3）金刚石与GaN的键合。金刚石和GaN的键合是一个并行的过程，可以分别制备GaN层和金刚石衬底，低温键合技术可以避免高温生长产生的晶格失配和热膨胀系数的差异，也不用考虑形核层热导率低的问题。选择质量更好，热导率更高的金刚石作为键合材料，能够最大限度的提高散热能力。
大阪团队：GaN On Diamond，金刚石是GaN最好的朋友
GaN-on-Diamond显示出作为下一代半导体材料的前景，因为这两种材料的禁带宽度都很宽，可实现高导电性和金刚石的高导热性，将其定位为卓越的散热基板。研究人员曾试图通过将GaN和金刚石用某种形式的过渡层或粘附层结合，来创造一种GaN-on-Diamond结构，但在这两种情况下，额外的中间层都严重干扰了金刚石的导热性，从而破坏了GaN-Diamond组合的一个关键优势。因此，需要一种可以直接集成钻石和氮化镓的技术。然而，由于它们的晶体结构和晶格常数的巨大差异，在GaN上直接生长金刚石或在金刚石生长GaN极其困难。
“因此，需要一种可以直接集成Diamond和GaN的技术，”梁剑波教授解释道，“由于两种晶体结构和晶格常数的巨大差异，在GaN上直接生长Diamond是不可能的，反之亦然。”
无需任何中间层即可将两个元件熔合在一起，称为晶圆直接键合，是解决这种不匹配问题的一种方法。然而，为了产生足够高的粘合强度，许多直接粘合方法需要在称为后退火工艺的过程中将结构加热到极高的温度。由于热膨胀失配，这通常会导致不同材料的粘合样品出现裂纹——GaN-Diamond结构在制造过程中经历的极高温度下无法幸存。
2021年，梁剑波教授研究团队使用表面活化键合（SAB）在室温下成功地制造了与Diamond的各种界面，所有界面都表现出很高的热稳定性和出色的实用性。据了解，SAB法是通过原子清洁和激活键合表面在相互接触时发生反应，在室温下在不同材料之间建立高度牢固的键合。
由于GaN的化学性质与大阪研究团队过去使用的材料完全不同，在他们使用SAB制造Diamond基GaN材料后，他们使用了多种技术来测试键合位点或异质界面的稳定性。为了表征异质界面的GaN中的残余应力，他们使用微拉曼光谱、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，电子能量损失光谱（EELS）显示了异质界面处碳原子的化学键合状态，并在N2中于700摄氏度测试了异质界面的热稳定性气体环境压力，“这是基于GaN的功率器件制造工艺所必需的，”梁剑波教授在过去的采访中说道。
“结果表明，在异质界面处形成了大约5.3 nm的中间层，它是非晶碳和Diamond的混合物，其中分布有Ga和N原子。随着团队提高退火温度，我们注意到中间层厚度减小，由于无定形碳直接转化为金刚石。在1000摄氏度退火后，层减少到1.5 nm，这表明可以通过优化退火工艺完全去除中间层，”梁剑波教授解释道。“尽管异质界面的抗压强度数字随着退火温度的升高而提高，但它们与晶体生长形成的金刚石上GaN结构的抗压强度不匹配。由于在1000摄氏度退火后异质界面上没有观察到剥落，这些结果表明，GaN/金刚石异质界面能够经受严酷的制造过程，氮化镓晶体管的温度上升被抑制了四倍。”
在最新的研究进展中，目前梁剑波教授团队已成功将AlGaN/GaN/3C-SiC层从硅转移到大型金刚石衬底上，并在金刚石上制备了GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）。值得注意的是，在1100°C的高温退火后，3C-SiC/金刚石结合界面未发生剥离，这对于在金刚石上高质量生长GaN晶体至关重要。
AlGaN/GaN/3C-SiC层结合到金刚石上经历了拉伸应力，随着退火温度的升高而释放。与硅和SiC衬底上的GaN HEMTs相比，金刚石衬底上的GaN HEMTs表现出最高的漏极电流和最低的表面温度。此外，金刚石衬底上的GaN HEMTs的热阻小于SiC的一半，约为Si的四分之一。这些结果表明，GaN/3C-SiC在金刚石上的技术具有显著的潜力，有望全面改变具有改进热管理能力的电子系统的发展。
大规模商业化，或不远矣
基于业界长期的研发活动，如今金刚石半导体相关功能应用已经开始逐步迈向实用化。但要真正普及推广金刚石在半导体领域的应用，依然需要花费很长的时间，不过最新市场反馈，金刚石在高功率器件散热领域的应用，已初步得到市场验证，大规模商业化，或不远矣！
CarbonSemi 2024
4月25-26日，DT新材料“助力碳基半导体产业化进程”为主题，联合宁波材料所、甬江实验室、宁波工程学院等团队，在宁波，共同主办第四届碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2024），将针对金刚石半导体单晶、多晶晶圆生长、晶圆抛光、加工及应用解决方案、以及金刚石与高功率器件键合、异质集成、加工等话题展开深入探讨！
大阪公立大学梁剑波教授将出席CarbonSemi 2024，作为演讲嘉宾，分享主题报告《金刚石与GaN的常温键合》。
2024年4月25-26日 浙江·宁波
另外本次参加CarbonSemi2024，与加工键合相关的展示的企业有：
天津中科晶禾电子科技有限责任公司
无锡鑫磊精工科技有限公司
宁波大艾激光科技有限公司
2024半导体活动推荐
2024（第八届）国际碳材料大会暨产业博览会
2024先进半导体产业博览会暨第二届先进电子材料创新大会
