01
背景介紹
GaAs 因超高電子遷移率（~8500 cm2/V?s）和直接帶隙，廣泛應用于 5G 通信、光電子器件，但熱導率僅～55 W/m?K，且 3D 集成與器件微型化導致熱流密度激增，嚴重影響器件性能與可靠性（溫度每升 2℃，失效風險增 10%）。傳統 GaAs/Si 鍵合散熱不足（Si 熱導率 130-150 W/m?K），現有 GaAs/SiC 鍵合技術僅局限于 3 英寸以內，缺乏界面微觀結構與熱傳輸機理的系統研究。
02
成果掠影
北京大學高鵬團隊與蘇州晶瓴半導體科技有限公司王振中團隊合作，借助表面活化鍵合（SAB）技術成功制備出 6 英寸 GaAs/SiC 晶圓。相較于傳統 GaAs/Si 晶圓結構，該新型晶圓散熱冷卻效率提升超 66%，可有效破解因 GaAs 本征熱導率偏低（約 55 W/m?K）導致的高功率器件自熱行業難題。
研究團隊通過表征與模擬發現，GaAs/SiC 晶圓界面存在約 2.4 nm 的混合非晶層，其中 2 nm 為該非晶層的最優厚度 —— 此厚度下界面熱導（ITC）可實現最大化，達到 114.7 MW/m2?K，相較無中間層的結構提升 10.4%。
該研究的核心技術機理在于，非晶層可充當 “聲子橋梁”，顯著增強 GaAs 與 SiC 兩種材料的振動光譜重疊，進而提升界面熱傳導效率；而當非晶層厚度超過 2 nm 時，會引發強烈的聲子散射，反而降低熱導性能。團隊通過 STEM-EELS 表征與分子動力學（MD）模擬，充分驗證了這一最優厚度的合理性及核心機理。
此次研發的 6 英寸 GaAs/SiC 晶圓鍵合技術，為 GaAs 基器件、光電子器件的熱管理領域，提供了晶圓級的集成解決方案，同時也為相關器件的界面工程設計提供了重要的理論與實踐指導。
相關研究成果以 “Direct Bonding of 6?inch GaAs/SiC Wafers for Enhanced Thermal Management in High-Power Devices” 為題，發表于國際知名期刊《ACS Applied Materials Interfaces》。
03
圖文導讀
圖1. GaAs與SiC的晶圓級鍵合及其特性。（a）6英寸GaAs和SiC晶圓的SA B工藝示意圖。（b）激光二極管的GaAs基高功率器件應用示意圖（左），垂直外腔面發射激光器（中）和高電子遷移率晶體管（右），采用高導熱性SiC襯底以實現更好的散熱。完整的6英寸GaAs/SiC鍵合樣品的紅外透射圖像，鍵合過程中不可避免的污染導致的小空隙由圓圈標記。（d）GaAs/SiC界面的橫截面SEM圖像。（e）GaAs/SiC界面的橫截面HRTEM圖像，放大視圖如插圖所示。圖2. GaAs/SiC和GaAs/Si異質結構之間的熱性能比較。（a）SiC或Si襯底上的HEMT器件的模擬結構示意圖，標注了層厚度。（b）SiC和Si襯底上HEMT的模擬熱點溫度SiC相對于Si襯底的相對冷卻效率（條形圖）和線形圖（即，（TSi-TSiC）/TSi）作為輸入熱源密度的函數。（c）GaAs/Si（左）和GaAs/SiC（右）樣品在主動加熱和自然冷卻過程中的紅外熱成像圖像。（d）GaAs/SiC和GaAs/Si樣品熱點溫度的時間演變。圖3. GaAs/SiC界面上的原子和電子結構表征。（a）GaAs/SiC界面的截面HAADF圖像和（b）同時獲得的ABF圖像。（c）原子分辨率EDS元素映射，顯示界面附近Ga、As、Si、C、Ar和O的分布。（d）界面上Ga、As、Si、C、Ar和O的原子分數線分布，（e）光譜采集區域的HAADF圖像，具有將空間位置與光譜數據相關聯的顏色梯度箭頭重疊。（f）等離子體激元主峰光譜，（g）Si L-邊緣和（h）C K-邊緣近邊緣精細結構光譜，從（e）中的相同區域采集。圖4.非晶夾層的振動光譜及其對GaAs/SiC ITC的影響。（a）通過STEM-EELS測量的GaAs/SiC界面上的空間分辨振動光譜，綠色箭頭突出顯示非晶夾層內的振動模式。（b）從（a）中提取的振動模式的線輪廓，用于比較SiC塊體（藍色）、界面區域（綠色）、界面區的振動模（~ 37 meV）可以增加GaAs和SiC的聲子譜的重疊。GaAs中由紫色箭頭標記的（103 meV）是SiC的離域極化激元。（c）GaAs/非晶夾層/具有從0到6 nm的不同夾層厚度的SiC模型。（d）從MD模擬獲得的GaAs、a-界面和SiC的振動光譜，其中光譜重疊由顏色陰影區域突出顯示。從MD模擬獲得的ITC值作為非晶夾層厚度的函數。虛線表示突變界面的ITC以供比較。（f）GaAs/非晶層/SiC的SHC計算結果，非晶層厚度為0、1、2和2.5 nm。
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來源：https://doi.org/10.1021/acsami.5c21396
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