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       在当今的电子设备领域，高功率、高频的半导体器件如GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）正变得越来越重要。它们被广泛应用于雷达系统、卫星通信、5G基站、可再生能源、电动汽车等领域。然而，随着设备功率密度的不断提高，散热问题成为了制约其性能和可靠性的关键瓶颈。GaN HEMT器件在运行过程中会产生局部热流密度，这些热流密度可能比太阳表面还要高一个数量级，这不仅会降低设备的性能，还会缩短其使用寿命。因此，如何有效散热成为了亟待解决的问题。

       金刚石作为一种天然材料，拥有最高的热导率，被认为是理想的散热基底材料。然而，将金刚石与半导体材料进行有效集成一直是一个巨大的挑战。目前，主要有两种方法：金刚石沉积和金刚石键合。金刚石沉积方法虽然能够成功制备出4英寸的GaN-on-Diamond晶圆，但由于在SiN介质层上沉积的金刚石晶体质量较低，导致其热导率受限。而金刚石键合方法则提供了更大的灵活性，可以通过优化界面特性来降低热边界电阻。

       研究概述

       本文的核心内容是关于如何将多晶金刚石（PCD）与3C-SiC直接集成，以增强GaN HEMT的热管理能力。研究团队通过一种先进的键合技术，成功地将 PCD与3C-SiC在室温下直接键合，并在2英寸的PCD晶圆上实现了GaN HEMT的集成。这一成果不仅克服了PCD表面粗糙度高的难题（表面粗糙度为2.48 nm），还通过退火处理将界面处的非晶层转化为多晶SiC层，且在这一过程中没有出现裂纹或分离现象。

       如图1所示，详细描述了AlGaN/GaN/3C-SiC层的转移过程以及在2英寸PCD晶圆上GaN HEMT的制备步骤。

在2英寸PCD晶圆上GaN HEMT的制备步骤

       在实验过程中，研究人员首先在6英寸的 Czochralski（Cz）-Si（111）晶圆上通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长了HEMT异质结构，包括 AlGaN/GaN/3C-SiC等多层结构。随后，通过化学机械抛光和氟酸刻蚀等步骤，将3C-SiC层与PCD晶圆进行键合。键合过程中，使用了表面活化键合（SAB）方法，并通过氩快原子束（FAB）对PCD和3C-SiC的生长表面进行同时辐照，以实现高质量的键合。

       研究总结

       研究结果显示，PCD的生长表面热导率高于单晶金刚石（SCD），但在GaN HEMT上，PCD的热阻（RTH）却比SCD高出27%。这一现象归因于 PCD 核化表面上较小的晶粒尺寸导致的声子散射。通过去除细晶粒核化层，可以显著增强散热效果。此外，通过透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析，研究人员发现，在1100°C退火后，界面处形成了约13 nm厚的多晶SiC层，且界面结构完整，没有出现裂纹或分离现象。

       该研究成功地实现了PCD与3C-SiC的直接键合，这一成果不仅解决了PCD表面粗糙度高的问题，还为高功率电子设备的散热提供了一种新的解决方案。通过优化晶粒尺寸和界面工程，可以进一步降低声子散射，提高热传输效率，从而充分发挥PCD在下一代高功率电子设备中的散热优势。