《Sci Rep》大气条件下InP和金刚石衬底直接键合！实现高效散热

编辑推荐：本文通过典型的表面清洁和低温退火工艺在大气条件下直接将氧等离子体活化的InP 基板键合在NH3/H2O2处理过的金刚石衬底上，以实现高效散热，为下一代高频和高功率操作的InP器件晶体管的制备提供了先进的热管理。

磷化铟具有高电子传输速度、低接触电阻和大异质结偏移等优势，被作为下一代高频高功率电子器件的新型半导体材料。随着电子设备的小型化和高功率运行需求渐涨，这些高功率密度设备的散热问题成了集成电路行业发展的绊脚石。金刚石具有固体材料中最高的热导率 (2200 W/m/K)，以金刚石作为散热衬底与器件直接键合是减小热阻的理想选择。而目前关于 InP 和金刚石衬底直接键合的研究很少。

来自日本国家先进工业科学技术研究所的Takashi Matsumae团队通过将氧等离子体活化的 InP 基板和用NH₃/H₂O₂清洁的金刚石衬底在大气条件下接触，随后将InP/金刚石复合样品在 250°C 下退火，使两种材料通过厚度为 3 nm 的非晶中间层形成了剪切强度为 9.3 MPa 的原子键。相关论文以题为“Low‑temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”发表在Scientific Reports。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4

该研究团队通过大量金刚石与其他半导体材料衬底（如硅、氧化镓等）直接键合研究发现，在用如H₂SO₄/H₂O₂和NH₃/H₂O₂混合物氧化溶液处理过的金刚石表面可形成 OH 基团。此外，OH封端的金刚石表面可通过大约 200 °C 下热脱水与OH封端的半导体衬底形成直接键合。虽然对 InP 和金刚石键合的研究很少，但光电子科学家已经实现了氧等离子体激活的 InP 激光器和 Si 波导的直接键合 。为此，该研究团队提出了 InP 和金刚石基板的直接键合工艺方案，并研究了 InP/金刚石键合界面的纳米结构，如图 1 所示。

图1

图2为结合在 InP 衬底表面的金刚石基板，可以通过透明的金刚石基板观察到两者的键合界面。同时可以观察到两层基板之间的间隙引起的漫反射，如果环境清洁度和基板表面平整度得到改善，则大部分接触区域将形成直接键合。对结合的金刚石基底上施加 9.3 MPa（84 N for 3 × 3 mm）的剪切力时，结合界面处产生断裂，通时沿 InP（110）面发生解理。该团队之前的研究中，Si/金刚石和Ga₂O₃/金刚石的剪切强度分别为 31.8 和 14 MPa。虽然InP/金刚石的键合界面较低，但已满足 MIL STD 883E 的芯片剪切强度要求。

图2

衬底表面需要足够光滑才能形成直接粘合，其均方根(RMS)粗糙度最好小于~ 5 Å。表面需要足够光滑才能直接粘合；本研究中使用的金刚石基材具有原子级光滑的表面，RMS 粗糙度小于 3 Å；InP 衬底表面的 RMS 粗糙度最初为 2.76 ± 0.3 Å，而氧等离子体刻蚀后的表面粗糙度为3.03 ± 0.3 Å；对于形成键合来说足够光滑，图3为原子力显微镜AFM下的InP表面形貌。

图3

通过角分辨 X 射线光电子能谱 (XPS) 研究了InP衬底的表面化学成分，如图 4 所示。测量深度取决于光电子的（take-offangle），掠出角为10.75° 和 63.25°时，非弹性平均自由程 (IMFP) 的计算值分别大约1和4nm。

图4

在等离子体刻蚀之前，In-O 和 P-O 键的数量相对较少，并且衬底表面存在有机污染物。这表明表面检测到的 OH 基团可能是由污染物中的 C-OH 键引起的。而在等离子体处理后，有机污染物已被刻蚀殆尽，而InP 表面依然存在In-O 和 P-O键。因此，在表面检测到的 OH 键可能归因于InP 衬底上产生的 In-OH、P-OH，表明InP 和金刚石衬底上的 OH 基团可能在键合过程中相互反应。

使用聚焦离子束 (FIB) 将InP样品减薄至10μm后，使用透射电子显微镜 (TEM) 观察 InP/金刚石结合界面的纳米结构，如如图 5 所示。可在InP和金刚石基板接合界面处观察到厚度约为 3 nm 的非晶层，而且两者之间没有形成裂纹或纳米空隙的原子键。

图5

使用能量色散X射线光谱 (EDX) 进行成分分析，如图6所示。键合界面的非晶层由In、P、O和C组成，为典型的通过氧等离子体处理后的结果；而C原子据推测扩散到由氧等离子体形成的InP衬底上的氧化物层中。虽然中间过渡层的热导率较低，但与传统方法（例如 2–4 µm 厚的金属层）相比非常薄。因此， InP/金刚石键合技术将有助于InP电子器件的有效散热。

图6

总的来说，本文提供了一种将InP和金刚石衬底直接键合的工艺，以改善InP基电子设备的散热情况。该工艺通过由氧等离子体处理的InP衬底与在大气条件下用NH₃、H₂O₂ 和H₂O的混合物清洗过的金刚石衬底接触，然后在250 °C下对接触的样品进行退火来形成直接键合。由于在预键合处理后两个基底表面都是原子级光滑的，因此InP和金刚石基板成功地产生了剪切强度为 9.3 MPa 的直接键合。界面分析表明，它们通过厚度约为3 nm的非晶中间层结合，没有裂纹或纳米空隙。由于可以通过简单的程序实现先进的热管理，因此这种键合技术将有助于未来具有更高集成度和功率密度的InP半导体电子器件。

但作为一个以热管理为目的的键合工艺，笔者认为，InP/金刚石复合材料的热导率测量与散热效率类比应该是必不可少的。但文中提供的键合方式，相比当前制备氮化镓/金刚石、硅/金刚石等复合材料的异质外延化学气相沉积（CVD）、磁控溅射等工艺简单高效了不少，并降低了生产成本，有助于新型集成半导体电子材料的快速量产。（文：Silas）