科创中国

本发明属于半导体材料制备工艺领域，具体涉及一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法及晶片，该方法制备的金刚石基氧化镓晶片具有氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底和氧化镓层/非晶氧化镓层/非晶碳层/金刚石衬底两种结构，主要制备步骤为：对氧化镓和金刚石表面进行精细抛光；利用快速氩原子束对抛光后的氧化镓和金刚石表面进行活化处理；在经表面活化处理后的氧化镓和金刚石表面分别沉积纳米粘接层，将沉积了纳米粘接层的氧化镓和金刚石互相接触进行间接键合，或不需要沉积纳米粘接层，将经过表面活化处理的氧化镓和金刚石进行直接键合。本发明制备的金刚石基氧化镓晶片，可提高氧化镓器件的散热性能。

Pa的条件下以沉积纳米粘结层对中接触进行间接键合，获得金刚石基GaO晶片；其中，纳米粘接层为Si薄膜，厚度为5～50nm。优选的，步骤11)中，GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面的均方根粗糙度均小于1nm。优选的，步骤13)中，利用快速氩原子束上下分别轰击GaO晶片抛光面和金刚石衬底抛光面60～600s，其中，电流范围为10～80mA，离子加速电压范围为150～360V。优选的，步骤14)中，键合时的参数设置为：键合压力为10～100MPa，时间为1～5min，键合温度为25～200℃，保温时间为1～5min。一种由所述的基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法所制备的金刚石基GaO晶片，其特征在于，具体结构由上到下依次为氧化镓层/非晶氧化镓层/纳米粘接层/非晶碳层/金刚石衬底。一种基于超高真空表面活化的氧化镓与金刚石键合方法

氧化镓(GaO)是一种新型超宽禁带半导体材料，与碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)相比，GaO的禁带宽度达到了4.9eV，高于SiC的3.25eV和SiC的3.4eV，大的禁带宽度使得GaO材料拥有更高的功率特性以及深紫外光电特性，同时具有良好的抗辐照和抗高温能力，可以在超低温、强辐射等极端环境下保持稳定的性质；GaO的击穿场强理论上可以达到8MV/cm，是GaN的2.5倍，是SiC的3倍多，高的击穿场强特性则确保了制备的GaO器件可以在超高电压下使用；此外，GaO能以比SiC和GaN更低的成本获得大尺寸、高质量、可掺杂的块状单晶。因此，有望基于GaO材料开发出小型化、高效、耐热性优良的超大功率晶体管。然而，GaO的热导率非常低，仅为27W/m·K，散热能力不足是限制GaO发展的一大瓶颈。

咸阳职业技术学院创始于1937年，2004年经陕西省人民政府批准，教育部备案，由原陕西省乾县师范学校、彬县师范学校、仪祉农业学校和咸阳市体育运动学校、卫生学校、技工学校等6所学校合并而成，是咸阳市人民政府直属的唯一一所全日制公办普通高等学校。学院为省级示范高职院校、省级“双高计划”建设单位、全国文明单位、全国绿化模范单位、国家节约型公共机构示范单位和中国特色“双高计划”高水平专业群建设单位。全日制在校学生20000多名。

具有以下有益效果：

本发明基于超高真空表面活化键合，实现了GaO晶片与金刚石衬底的高质量键合，得到了金刚石基GaO晶片。利用高热导率的金刚石作为GaO功率器件的衬底，可以迅速将器件运行时产生的热量传递出去，有望解决GaO器件随功率增加、频率提高出现的功率密度下降和效率降低等问题。目前制备GaO外延薄膜主要基于异质外延生长法，相比于该方法，基于超高真空表面活化键合的金刚石基GaO晶片，避免了传统生长法因高温生长带来的热应力和高密度位错，并且工艺简单，成本低廉，适宜工业化生产。

进一步的，对于沉积的纳米Si粘接层，整个制备工艺全部在超高真空环境下进行，避免了在大气环境下晶片可能造成的污染，因此获得的金刚石基GaO晶片具有极低的空洞率和高的键合强度，可应用于晶圆级半导体材料的异质集成，并且沉积的纳米Si薄膜热导率较高，不会在键合界面产生高的界面热阻。

进一步的，通过表面活化处理，Si原子可与活化的GaO、金刚石形成强的化学键，而键合界面处的Si原子通过原子重新排列可形成新的化学键，保证了金刚石衬底与GaO晶片的整体性。

进一步的，表面处理使得活化的GaO与C原子形成新的化学键，实现GaO与金刚石的直接键合，可应用于晶圆级半导体材料的键合。

进一步的，表面粗糙度在超高真空表面活化键合技术中起着重要作用，特别是对金刚石材料的键合，使其表面粗糙度减小至1nm以下，才能将其与其他半导体材料直接键合到一起，否则需增加键合中间层材料厚度。

进一步的，表面活化处理会在GaO和金刚石表面各形成一层非晶GaO和非晶C纳米层，其厚度为1～5nm。

技术转让，许可，合作所需资金需双方协商，希望具备此项技术研发的技术方，能够承接此项目。