磷化銦具有高電子傳送速率、低接觸電阻和大異質結偏移等優勢，被作為下一代高頻高功率電子器件的新型半導體材料。隨著電子設備的小型化和高功率運行需求漸漲，這些高功率密度設備的散熱問題成了集成電路行業發展的絆腳石。金剛石具有固體資料中最高的熱導率（2200 W/m/K），以金剛石作為散熱襯底與器件直接鍵合是减小熱阻的理想選擇。而現時關於InP和金剛石襯底直接鍵合的研究很少。
來自日本國家先進工業科學技術研究所的Takashi Matsumae團隊通過將氧电浆活化的InP基板和用NH3/H2O2清潔的金剛石襯底在大氣條件下接觸，隨後將InP/金剛石複合樣品在250°C下退火，使兩種資料通過厚度為3 nm的非晶中間層形成了剪切强度為9.3 MPa的原子鍵。相關論文以題為“Low‑temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”發表在Scientific Reports。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4
該研究團隊通過大量金剛石與其他半導體材料襯底（如矽、氧化鎵等）直接鍵合研究發現，在用如H2SO4/H2O2和NH3/H2O2混合物氧化溶液處理過的金剛石表面可形成OH基團。此外，OH封端的金剛石表面可通過大約200°C下熱脫水與OH封端的電晶體襯底形成直接鍵合。雖然對InP和金剛石鍵合的研究很少，但光電子科學家已經實現了氧电浆啟動的InP雷射器和Si波導的直接鍵合。為此，該研究團隊提出了InP和金剛石基板的直接鍵合工藝方案，並研究了InP/金剛石鍵合介面的納米結構，如圖1所示。
圖1
圖2為結合在InP襯底表面的金剛石基板，可以通過透明的金剛石基板觀察到兩者的鍵合介面。同時可以觀察到兩層基板之間的間隙引起的漫反射，如果環境清潔度和基板表面平整度得到改善，則大部分接觸區域將形成直接鍵合。對結合的金剛石基底上施加9.3 MPa（84 N for 3×3 mm）的剪切力時，結合介面處產生斷裂，通時沿InP（110）面發生解理。該團隊之前的研究中，Si/金剛石和Ga2O3/金剛石的剪切强度分別為31.8和14 MPa。雖然InP/金剛石的鍵合介面較低，但已滿足MIL STD 883E的晶片剪切强度要求。
圖2
襯底表面需要足够光滑才能形成直接粘合，其均方根（RMS）粗糙度最好小於~ 5Å。表面需要足够光滑才能直接粘合；本研究中使用的金剛石基材具有原子級光滑的表面，RMS粗糙度小於3Å；InP襯底表面的RMS粗糙度最初為2.76±0.3Å，而氧电浆刻蝕後的表面粗糙度為3.03±0.3Å；對於形成鍵合來說足够光滑，圖3為原子力顯微鏡AFM下的InP表面形貌。
圖3
通過角分辨X射線光電子能譜（XPS）研究了InP襯底的表面化學成分，如圖4所示。量測深度取决於光電子的（take-offangle），掠出角為10.75°和63.25°時，非彈性平均自由程（IMFP）的計算值分別大約1和4nm。
圖4
在电浆刻蝕之前，In-O和P-O鍵的數量相對較少，並且襯底表面存在有機污染物。這表明表面檢測到的OH基團可能是由污染物中的C-OH鍵引起的。而在电浆處理後，有機污染物已被刻蝕殆盡，而InP表面依然存在In-O和P-O鍵。囙此，在表面檢測到的OH鍵可能歸因於InP襯底上產生的In-OH、P-OH，表明InP和金剛石襯底上的OH基團可能在鍵合過程中相互反應。
使用聚焦離子束（FIB）將InP樣品减薄至10μm後，使用透射電子顯微鏡（TEM）觀察InP/金剛石結合介面的納米結構，如如圖5所示。可在InP和金剛石基板接合介面處觀察到厚度約為3 nm的非晶層，而且兩者之間沒有形成裂紋或納米空隙的原子鍵。
圖5
使用能量色散X射線光譜（EDX）進行成分分析，如圖6所示。鍵合介面的非晶層由In、P、O和C組成，為典型的通過氧电浆處理後的結果；而C原子據推測擴散到由氧电浆形成的InP襯底上的氧化物層中。雖然中間過渡層的熱導率較低，但與傳統方法（例如2–4µm厚的金屬層）相比非常薄。囙此，InP/金剛石鍵合科技將有助於InP電子器件的有效散熱。
圖6
總的來說，本文提供了一種將InP和金剛石襯底直接鍵合的工藝，以改善InP基電子設備的散熱情况。該工藝通過由氧电浆處理的InP襯底與在大氣條件下用NH3、H2O2和H2O的混合物清洗過的金剛石襯底接觸，然後在250°C下對接觸的樣品進行退火來形成直接鍵合。由於在預鍵合處理後兩個基底表面都是原子級光滑的，囙此InP和金剛石基板成功地產生了剪切强度為9.3 MPa的直接鍵合。介面分析表明，它們通過厚度約為3 nm的非晶中間層結合，沒有裂紋或納米空隙。由於可以通過簡單的程式實現先進的熱管理，囙此這種鍵合科技將有助於未來具有更高集成度和功率密度的InP電晶體電子器件。
但作為一個以熱管理為目的的鍵合工藝，筆者認為，InP/金剛石複合材料的熱導率量測與散熱效率類比應該是必不可少的。但文中提供的鍵合管道，相比當前製備氮化鎵/金剛石、矽/金剛石等複合材料的異質外延化學氣相沉積（CVD）、磁控濺射等工藝簡單高效了不少，並降低了生產成本，有助於新型集成電晶體電子資料的快速量產。
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