中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所異質(zhì)集成XOI團(tuán)隊(duì)和南京電子研究所超寬禁帶半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)合作，在金剛石基氧化鎵異質(zhì)集成材料與器件領(lǐng)域取得突破性進(jìn)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(bào)告形式發(fā)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(tǒng)所為第一完成單位。

       氧化鎵在寬/超寬禁帶半導(dǎo)體材料中熱導(dǎo)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(yán)重自熱效應(yīng)和壽命短等可靠性問題。金剛石是自然界已知熱導(dǎo)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(zhì)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)金剛石基異質(zhì)集成材料面臨巨大挑戰(zhàn)。

圖1氧化鎵高導(dǎo)熱異質(zhì)集成技術(shù)發(fā)展趨勢

       上海微系統(tǒng)所研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新發(fā)展XOI晶圓轉(zhuǎn)印技術(shù)，在國際上率先實(shí)現(xiàn)陣列化氧化鎵單晶薄膜與1英寸金剛石襯底的異質(zhì)集成，如圖2所示。轉(zhuǎn)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(zhì)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(bào)道最優(yōu)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(tài)飽和電流高達(dá)810 mA/mm，最大振蕩頻率去嵌前達(dá)到61 GHz，為目前報(bào)道最高值；相同功率下，器件結(jié)區(qū)最高溫度相比氧化鎵同質(zhì)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(zhì)量限制，還兼容其他不同尺寸、不同種類的XOI異質(zhì)集成薄膜到任意襯底上甚至任意位向的轉(zhuǎn)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(zhì)薄膜 RF MOSFET器件結(jié)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(zhì)集成材料具有優(yōu)異的散熱能力和射頻應(yīng)用前景，是繼硅基、碳化硅基氧化鎵異質(zhì)集成材料（IEDM 2019）后的又一大新突破，將進(jìn)一步推動高性能氧化鎵器件的發(fā)展，并為金剛石基異質(zhì)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(xué)基金重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和上海市戰(zhàn)略前沿專項(xiàng)等項(xiàng)目支持。