中國科學院上海微系統所異質集成XOI團隊和南京電子研究所超寬禁帶半導體研究團隊合作，在金剛石基氧化鎵異質集成材料與器件領域取得突破性進展。該研究成果于12月9號在第70屆國際電子器件大會（IEDM 2024）以口頭報告形式發表“First Demonstration of Wafer-level Arrayed β-Ga2O3 Thin Films and MOSFETs on Diamond by Transfer Printing Technology”。博士生趙天成、南京電子研究所郁鑫鑫高級工程師、徐文慧助理研究員為本論文共同第一作者，徐文慧助理研究員、歐欣研究員、南京電子研究所李忠輝研究員為論文共同通訊作者，上海微系統所為第一完成單位。
氧化鎵在寬/超寬禁帶半導體材料中熱導率（0.1-0.27 W/m·K）最低，不到硅材料的1/5，這使得氧化鎵器件在大功率工況下面臨嚴重自熱效應和壽命短等可靠性問題。金剛石是自然界已知熱導率最高的材料，是大功率、射頻器件的理想熱沉襯底材料，將金剛石用于異質集成正在成為大功率器件熱管理的重要研究方向，如圖1所示。然而，金剛石與氧化鎵等功率、射頻半導體材料晶格失配度大，且金剛石晶圓形貌和表面平整度差，這使得通過直接外延生長和晶圓鍵合實現金剛石基異質集成材料面臨巨大挑戰。
圖1氧化鎵高導熱異質集成技術發展趨勢
上海微系統所研究團隊創新發展XOI晶圓轉印技術，在國際上率先實現陣列化氧化鎵單晶薄膜與1英寸金剛石襯底的異質集成，如圖2所示。轉移處理后氧化鎵單晶薄膜材料搖擺曲線半高寬為78 arcsec，表面粗糙度為0.35 nm；金剛石/氧化鎵異質界面過渡層厚度小于2 nm，界面熱阻為21.7 m2·K/GW，為目前已報道最優值。基于此制備的射頻器件性能和散熱能力得到顯著提升，器件開態飽和電流高達810 mA/mm，最大振蕩頻率去嵌前達到61 GHz，為目前報道最高值；相同功率下，器件結區最高溫度相比氧化鎵同質器件降低250℃，散熱能力提升11倍，器件熱阻僅為5.52W·mm/K，極大提升氧化鎵射頻器件性能和散熱能力。該方法不僅成本低、不受晶圓表面質量限制，還兼容其他不同尺寸、不同種類的XOI異質集成薄膜到任意襯底上甚至任意位向的轉移。
圖 2. （a）1英寸金剛石基陣列化氧化鎵單晶薄膜及其制備流程，（b）金剛石基氧化鎵與氧化鎵同質薄膜 RF MOSFET器件結溫和器件熱阻對比
本研究工作充分證明了晶圓級金剛石基氧化鎵異質集成材料具有優異的散熱能力和射頻應用前景，是繼硅基、碳化硅基氧化鎵異質集成材料（IEDM 2019）后的又一大新突破，將進一步推動高性能氧化鎵器件的發展，并為金剛石基異質集成材料制備提供新范式。本研究成果得到了國家自然科學基金重大項目、國家重點研發計劃和上海市戰略前沿專項等項目支持。
來源：中國科學院上海微系統與信息技術研究所