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在半导体功率器件领域，如何解决散热问题一直是提升器件性能和可靠性的关键挑战。金刚石作为已知热导率的材料，具有优异的热学性能；而氮化镓（GaN）凭借其宽带隙、高电子迁移率等特性，在高频、高功率器件方面展现出巨大潜力。将金刚石与 GaN 功率器件进行集成，是提高散热效率、充分发挥 GaN 器件性能的有效途径。目前，金刚石与 GaN 功率器件的集成通常从两方面进行：一是 GaN 顶部的器件层散热，主要应用金刚石钝化散热技术，该技术是直接在器件顶部沉积金刚石，提高热点顶部的热扩散，同时起到增大换热面积的作用；二是 GaN 底部金刚石衬底散热，主要有 GaN 底部异质外延金刚石、金刚石表面异质外延 GaN 和键合技术。其中，键合技术是实现两者集成的关键方法之一。下面为大家详细介绍金刚石 / GaN 键合技术的相关研究进展。
键合技术的基本路线
金刚石 / GaN 键合技术通常是将 GaN 外延层的原始衬底去除，然后在 GaN 暴露的底面沉积中间层，之后与金刚石结合。然而，该技术对金刚石的表面粗糙度、弯曲度要求，还存在键合强度低、键合层热阻高等问题。这些问题限制了该技术在实际生产中的广泛应用，因此，需要进一步研究和改进键合工艺。
金刚石 / GaN 表面活化键合技术
1、基本流程
首先通过粘片工艺将 GaN 固定到载片上，之后去除原始衬底，在待键合面沉积键合层或使用离子束活化待键合表面，将键合表面贴合并加压完成键合。
由于需要保持待键合表面活性，避免氧化或污染，沉积键合层或离子束活化表面步骤与键合步骤需要在高真空度环境（-5×10??Pa）中进行，对设备条件要求很高。这无疑增加了工艺的复杂性和成本，也对设备的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
2、键合层对热导的影响及优化
键合层通常是非晶态材料，热导率较低。研究人员制备了不同键合层厚度的金刚石 / GaN 结构，发现键合层厚度与热导率有强相关性，减小键合层厚度对整体热阻的控制十分重要。
为了减小键合层厚度或使键合层转变成晶态材料，有研究人员使用高温退火的方式。例如，使用 Si 作为中间层，制备了 AlGaN/GaN/3C-SiC / 金刚石结构，在 800°C 退火后形成欧姆接触，键合结构稳定。在 1100°C 退火后，键合层中 Si 和 C 原子发生再结晶生成 SiC，厚度减小，且高温退火过程中键合层拉应力也有所减小，器件性能提高。还有研究人员仅通过 Ar 离子束照射金刚石和 GaN 表面制备结构，通过退火工艺减小中间层厚度并使其部分转化为金刚石。不过，高温退火可能会对 GaN 材料的性能产生一定的影响，因此需要控制退火的温度和时间。
3、进一步优化工艺
有研究人员优化工艺，使用 Ar 离子束照射 Si 靶，在金刚石上沉积 1nm 厚的 Si 层，GaN 表面使用 Ar 离子束轰击活化，在 4.4MPa 的压力下与 GaN 成功键合，键合层厚度仅 1.5nm，剪切强度 4.5MPa，推测界面热阻小。这种优化工艺在一定程度上提高了键合的质量和性能，但仍需要进一步验证其稳定性和可靠性。
4、金刚石表面粗糙度控制
金刚石表面粗糙度控制对键合成功率也十分重要，但加工成本高。有研究人员发现在沉积键合层的过程中，可以降低金刚石键合面粗糙度。例如使用射频磁控溅射在金刚石键合面沉积 15nmSiC 层，使粗糙度降低，而后在表面活化键合设备中室温键合成功，通过退火工艺还可将非晶 SiC 转变成多晶 SiC。这为解决金刚石表面粗糙度问题提供了一种有效的方法，但需要进一步优化沉积工艺，以提高 SiC 层的质量和性能。
5、大面积键合的进展
目前的研究大多处于小尺寸探索阶段，针对大面积键合，廖龙忠等使用纳米级氧化硅作为键合层，使用优化的键合工艺，成功实现了 4 英寸金刚石与 GaN 的键合，所制备的器件热阻降低，结温下降，电气性能提高，验证了大尺寸键合的可行性。大面积键合技术的成功实现，为金刚石 / GaN 集成技术的产业化应用奠定了基础。
金刚石 / GaN 亲水键合技术
1、基本原理及流程
亲水键合是在金刚石和 GaN 表面生成 OH 端，通过 OH 端之间的反应实现键合。
Matsumae 等使用 NH?OH/H?O?混合溶液在 70°C 下处理金刚石，使用 HCl 溶液在 70°C 下处理 GaN，在表面生成 OH 端，后将金刚石与 GaN 在 1MPa 的压力下 200°C 处理 2 小时，成功得到金刚石 / GaN 结构，剪切强度 8.19MPa，有 3nm 由 sp? - C、Ga 和 O 组成的键合层。
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2、技术特点
亲水键合的方法相对于表面活化键合，步骤简单，对设备要求低。但是 OH 端反应产物包括大量高温水分子，在大尺寸键合过程中可能无法及时逸出，影响键合效果，且高温水蒸气会对 GaN 产生不利影响。这使得亲水键合技术在大规模生产中的应用受到了一定的限制。
金刚石 / GaN 原子扩散键合技术
1、基本原理及流程
原子扩散键合技术使用 Au、Mo、Ag、Cu 等金属材料作为键合层，利用金属原子在温度和压力下的扩散实现键合。
Wang 等在单晶金刚石、多晶金刚石和 GaN 上沉积 5nm Mo 层和 11nm Au 层，在室温下加载 2000N 的载荷完成键合，制作了单晶金刚石 / GaN 和多晶金刚石 / GaN 两个样品。
2、技术特点
成功制备了金刚石 / GaN 结构，但由于金属材料与金刚石和 GaN 之间热膨胀系数失配很大，导致其热稳定性较差，且并未报道金属键合层厚度、热导率以及金属层对 GaN 器件电气性能的影响。这需要进一步研究和改进金属键合层的材料和工艺，以提高其热稳定性和电气性能。
金刚石 / GaN 水解辅助固化键合技术
1、基本原理及流程
水解辅助固化键合是一种利用中间层发生化学反应来进行键合的方法。
Gerrer 等在 Si 基 AlN/AlGaN/GaN 上粘贴一块 650μm 厚的蓝宝石，而后放入 HNO?/HF 混合溶液中去除 Si 层，后在去离子水中将 AlN/AlGaN/GaN 的 AlN 面与金刚石接触，旋转去除接触面多余的水，放入真空炉中在 200°C 完成键合，去除蓝宝石片后得到金刚石 / AlGaN/GaN 结构。键合层是通过 AlN 与水在 40°C 以上温度反应形成的，生成物为 Al (OH)?和 AlO (OH)，键合层厚度 30nm。
2、技术特点
整个工艺流程都是在液体中进行的，工艺简单，对金刚石粗糙度要求较低，但是键合层材料导热率极低，且厚度难以控制，导致其热阻高。这使得水解辅助固化键合技术在散热要求较高的应用场景中受到了限制。
