將氮化鎵（GaN）等寬帶隙材料與金剛石等導(dǎo)熱材料集成在一起的室溫鍵合技術(shù)可以提高GaN器件的冷卻效果，并通過更高的功率水平、更長的器件壽命、更高的可靠性和更高的性能來提高性能降低制造成本。該技術(shù)可以用于無線發(fā)射機(jī)、雷達(dá)、衛(wèi)星設(shè)備和其他大功率和高頻電子設(shè)備。

該技術(shù)稱為表面活化鍵合，該技術(shù)在高真空環(huán)境中使用離子源首先清潔GaN和金剛石的表面，然后通過創(chuàng)建懸空鍵來激活表面。向離子束中引入少量硅有助于在室溫下形成牢固的原子鍵，從而允許GaN與單晶金剛石直接鍵合，從而可以制造高電子遷移率晶體管（HEMT）。

最終形成的從GaN到單晶金剛石的界面層厚度僅為4納米，通過消除納米金剛石生長留下的低質(zhì)量金剛石，使散熱效率2倍于目前最先進(jìn)的GaN對金剛石的散熱效率。目前，鉆石是通過使用晶體生長技術(shù)與GaN集成在一起的，該技術(shù)可以在界面附近產(chǎn)生更厚的界面層和低質(zhì)量的納米晶金剛石。此外，新工藝可以使用表面激活的鍵合技術(shù)在室溫下完成，從而降低了施加到器件上的熱應(yīng)力。

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佐治亞理工學(xué)院Samuel Graham教授說：“這項技術(shù)使我們能夠?qū)⒏邔?dǎo)熱率的材料放置在氮化鎵中更靠近有源器件區(qū)域的位置。這種性能使我們能夠最大化金剛石系統(tǒng)上氮化鎵的性能。這將使工程師能夠定制設(shè)計未來的半導(dǎo)體，以實現(xiàn)更好的多功能操作。”

這項與日本名清大學(xué)和早稻田大學(xué)的科學(xué)家合作進(jìn)行的研究2月19日發(fā)表在ACS Applied Materials and Interfaces雜志上。這項工作得到了美國海軍研究辦公室（ONR）的多學(xué)科大學(xué)研究計劃（MURI）項目的支持。

對于在小型設(shè)備中使用諸如GaN之類材料的大功率電子應(yīng)用，散熱可能是施加在設(shè)備上的功率密度的限制因素。工程師們試圖通過增加一層導(dǎo)熱率比銅高五倍的鉆石來散熱。

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但是，當(dāng)在GaN上生長金剛石薄膜時，必須在其上植入直徑約30納米的納米晶體顆粒，并且該納米晶體金剛石層的導(dǎo)熱系數(shù)很低，這增加了進(jìn)入塊狀金剛石薄膜的熱流阻力。另外，生長發(fā)生在高溫下，這會在所得的晶體管中產(chǎn)生應(yīng)力的裂紋。

Graham說：“在目前使用的生長技術(shù)中，只有在距界面幾微米遠(yuǎn)的地方，才能真正達(dá)到微晶金剛石層的高導(dǎo)熱性能。界面附近的材料只是不具有良好的熱性能。這種鍵合技術(shù)使我們可以從界面處的超高導(dǎo)熱金剛石開始?！?/span>

通過創(chuàng)建更薄的界面，表面激活的鍵合技術(shù)使散熱更接近GaN熱源。

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“我們的鍵合技術(shù)使高導(dǎo)熱率的單晶金剛石更接近GaN器件中的熱點，這有可能重塑這些器件的冷卻方式，”佐治亞州理工學(xué)院的Zhe Cheng博士說， “而且由于鍵合是在室溫附近進(jìn)行的，因此我們可以避免會損壞器件的熱應(yīng)力?！?/span>

熱應(yīng)力的降低可能是顯著的，采用室溫技術(shù)可以從900 MPa降至小于100 MPa。Graham說：“這種低應(yīng)力鍵合使金剛石的厚層可以與GaN集成在一起，并為金剛石與其他半導(dǎo)體材料的集成提供了一種方法?！?/span>

除了GaN和金剛石外，該技術(shù)還可以與其他半導(dǎo)體（例如氧化鎵）和其他導(dǎo)熱體（例如碳化硅）一起使用。Graham說，該技術(shù)在需要粘接薄的界面層的電子材料上具有廣泛的應(yīng)用。

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在未來的工作中，研究人員計劃研究其他離子源，并評估可以使用該技術(shù)集成的其他材料。

Graham說：“我們有能力選擇加工條件以及襯底和半導(dǎo)體材料，從而為寬帶隙器件設(shè)計異質(zhì)襯底。這使我們可以選擇材料并進(jìn)行集成，以最大限度地提高電、熱和機(jī)械性能?！?/span>

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