来源：岱美仪器

1. 引言

普遍认为，电子设备和组件的散热效率是决定其性能和寿命的关键因素。因此，提升电子元件的散热能力，并通过优化设计和制造技术来增强其整体性能，显得尤为重要。

例如，将宽带隙材料如氮化镓（GaN）与高导热材料如金刚石结合的室温低温键合技术，已被证实能显著提升GaN器件的散热效率，并带来更高的功率密度、更长的使用寿命、更高的可靠性和性能，同时还能降低生产成本。这项技术在无线通信设备、雷达系统、卫星通信以及其他需要高功率和高频电子设备的领域具有广泛的应用前景。

图1 氮化镓 GaN

2. 等离子活化低温键合技术

这种表面活化键合技术，首先在高真空环境中利用离子源对氮化镓（GaN）和金刚石表面进行清洁处理，随后通过产生悬空键来激活表面。EVG801 LT低温等离子活化设备能够完成这一过程。在离子束中加入少量硅，有助于在室温下形成稳定的原子键，使得GaN与单晶金刚石能够直接键合，制造出高电子迁移率晶体管（HEMT）。此外，EVG510、EVG520、EVG540和EVG560等键合设备能够实现键合工艺，其键合力可达到100kN，覆盖了超过90%的键合工艺温度需求。

图2 EVG810 LT低温等离子活化机

图3 EVG540晶圆键合机

3. 改善器件散热性能

通过将氮化镓（GaN）与单晶金刚石的界面层厚度减少至4纳米，可以显著提高散热效率，使其比现有的GaN-on-diamond HEMT高出两倍。传统的金刚石与GaN集成技术会在界面附近产生较厚的界面层和低质量的纳米晶金刚石，而新工艺则利用表面活化的低温键合技术在室温下完成，有效降低了对器件的热应力。

图4 键合界面

“这项技术允许我们将高导热率材料放置在氮化镓中更接近有源器件区域的位置，”佐治亚理工学院的一位教授表示。“这使我们能够最大化氮化镓在金刚石系统上的性能，为工程师提供了定制设计未来半导体以实现更优多功能操作的可能性。”这项研究得到了美国海军研究办公室（ONR）的多学科大学研究计划（MURI）项目的支持。

4. 实现方法

在高功率电子应用中，尤其是在小型设备中，散热问题往往是限制设备功率密度的关键因素。通过引入导热性能优于铜五倍的金刚石层，工程师们能够有效地扩散和散发热量。

然而，在GaN上生长金刚石膜的过程中，需要植入直径约30纳米的纳米晶体颗粒，这些纳米晶体金刚石层的导热系数较低，增加了热流进入块状金刚石薄膜的阻力。此外，高温生长过程会在晶体管中产生应力裂纹。

与传统生长技术相比，只有在距离界面几微米远的地方，才能真正达到微晶金刚石层的高导热性能。而界面附近的材料热性能并不理想。这种粘合技术使我们能够从界面处的超高导热金刚石开始。

通过创建更薄的界面，表面活化的低温键合技术使散热更接近GaN热源。

“我们的低温键合技术使高导热率的单晶金刚石更接近氮化镓（GaN）器件中的热点，这有可能重塑这些器件的冷却方式，”佐治亚州理工学院的一位博士毕业生表示。“而且由于键合是在室温附近进行的，因此我们可以避免会损坏器件的热应力。”

热应力的降低是显著的，采用室温技术可以将应力从900兆帕（MPa）降至小于100 MPa。这种低应力键合使金刚石的厚层可以与GaN集成在一起，并为金刚石与其他半导体材料的集成提供了一种方法。

除了GaN和金刚石外，该技术还可以与其他半导体材料（如氧化镓）和其他热导体（如碳化硅）一起使用。该技术在粘接薄的界面层较为有利的电子材料上具有广泛的应用前景。

图5 碳化硅SiC晶圆

“这种新途径使我们能够混合和匹配材料。”“这可以为我们提供出色的电气性能，但更明显的优势是非常优越的热界面。我们相信，这将是迄今为止将宽带隙材料与导热基板集成在一起的最佳技术。”

在未来的工作中，研究人员计划研究其他离子源并评估可以使用该技术集成的其他材料。

“我们有能力选择加工条件以及衬底和半导体材料，从而为宽带隙器件设计异质衬底。”“这使我们可以选择材料并进行集成，以最大限度地提高电，热和机械性能。”

5. 总结

综上所述，通过采用低温等离子活化和低温键合技术，我们能够有效提升氮化镓器件的散热性能，进而提高其整体性能。

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