Room temperature GaN-diamond integration by surface activated bonding methods for high power GaN device

通过表面激活键合方法进行室温 GaN-金刚石集成，用于高功率 GaN 器件

• 批准号: 19K15298
• 负责人: 母 鳳文
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2020-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19K15298/
• 关键词: GaN; 常温接合; ダイヤモンド; 界面熱抵抗; 界面; 表面活化; 集積; Bonding interface; GaN-Diamond; Integration; TBR

GaN-HEMTは、5Gや衛星通信を含む高度なRFおよびマイクロ波アプリケーションで重要な役割を果たしている。GaN-HEMTの出力電力密度が増加するにつれて、ホットスポットの熱流束の散逸がますます重要になっている。GaN-ダイヤモンドの集積は、Al2O3、Si、またはSiCなどの元の基板を熱伝導率の高いダイヤモンド基板に置き換えることで実現できる、放熱能力を向上させる有望なソリューションの1つです。本研究では、GaNとダイヤモンドと常温接合を2つの異なるSAB法（スパッタSiナノ密着層による拡張SABとSi含有ArビームによるSAB）によって実現した。時間領域サーモリフレクタンス法によって、室温の界面熱特性を測定した。Si含有ArビームによるSABで接合したGaN/ダイヤモンド界面は、比較的低い界面熱抵抗（TBR）（~10.9m2K/GW）を示し、10nm厚のスパッタ Siナノ密着層による拡張SABで接合した界面のTBRは~18.9m2K/GWであった。また、界面構造とTBRの相関を検証するために、界面の構造・特性の評価を行なった。両種類の界面には、表面活化のため、2-3nmのアモルファスダイヤモンド層があったが、Si含有ArビームによるSABで接合したGaN/ダイヤモンド界面のアモルファス層は、Siナノ密着層による拡張SABで接合した界面のアモルファス層よりも薄くなりました。界面アモルファス層が薄いと、TBRが低くなることが推察された。さらに、Si層を介したGaN/ダイヤモンド低温親水性接合の実現の可能性を検討しました。連続プラズマ活性化によって、125°Cで強くGaN-Si接合が達成されました。したがって、アモルファスダイヤモンドの形成を回避のためにダイヤモンド上に薄いSi層を堆積させることにより、親水性の方法でGaN/ダイヤモンド接合を実現できる可能性を示した。

Gan-Hemt在高级RF和微波应用中起关键作用，包括5G和卫星通信。随着gan-hemts的输出功率密度的增加，热点中热通量的耗散变得越来越重要。 GAN-DIAMOND集成是提高耗散耗散功能的有前途的解决方案之一，可以通过用具有较高导热率的钻石底物替换原始底物（例如Al2O3，Si或SIC）来实现。在这项研究中，通过两种不同的SAB方法（用溅射的Si纳米粘附层扩展SAB，并带有含Si的AR梁的SAB），实现了GAN，DIAMOND和室温连接。通过时域热质构法测量室温下的界面热性能。使用含SI的AR束粘合的GAN/DIAMOND界面表现出相对较低的界面热耐药性（TBR）（〜10.9 m2 K/gW），并且使用10 nm厚的Si纳米粘附层与膨胀SAB键合的界面TBR 〜18.9 m2 K/GW。此外，为了验证界面结构与TBR之间的相关性，评估了界面的结构和特征。两种类型的接口都有一个2-3 nm的无定形钻石层用于表面激活，但是使用含Si的AR梁与SAB键合的GAN/DIAMOND界面的无定形层比使用SI Nanoadhesive Layers粘合的无定形层在界面上与无定形层的无定形层更薄。据估计，如果界面无定形层很薄，则TBR会降低。此外，我们研究了通过SI层实现GAN/DIAMONDS低温亲水键合的可能性。通过连续的血浆激活在125°C下实现了强GAN-SI连接。因此，已经表明，通过将薄的Si层沉积在钻石上以避免形成无定形钻石，可以以亲水的方式实现GAN/DIAMOND连接。

项目成果

Georgia Institute of Technology(米国)

佐治亚理工学院（美国）