磷化铟具有高电子传输速度、低接触电阻和大异质结偏移等优势，被作为下一代高频高功率电子器件的新型半导体材料。随着电子设备的小型化和高功率运行需求渐涨，这些高功率密度设备的散热问题成了集成电路行业发展的绊脚石。金刚石具有固体材料中最高的热导率 (2200 W/m/K)，以金刚石作为散热衬底与器件直接键合是减小热阻的理想选择。而目前关于 InP 和金刚石衬底直接键合的研究很少。
来自日本国家先进工业科学技术研究所的Takashi Matsumae团队通过将氧等离子体活化的 InP 基板和用NH3/H2O2清洁的金刚石衬底在大气条件下接触，随后将InP/金刚石复合样品在 250°C 下退火，使两种材料通过厚度为 3 nm 的非晶中间层形成了剪切强度为 9.3 MPa 的原子键。相关论文以题为“Low‑temperature direct bonding of InP and diamond substrates under atmospheric conditions”发表在Scientific Reports。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-021-90634-4
该研究团队通过大量金刚石与其他半导体材料衬底（如硅、氧化镓等）直接键合研究发现，在用如H2SO4/H2O2和NH3/H2O2混合物氧化溶液处理过的金刚石表面可形成 OH 基团。此外，OH封端的金刚石表面可通过大约 200 °C 下热脱水与OH封端的半导体衬底形成直接键合。虽然对 InP 和金刚石键合的研究很少，但光电子科学家已经实现了氧等离子体激活的 InP 激光器和 Si 波导的直接键合。为此，该研究团队提出了 InP 和金刚石基板的直接键合工艺方案，并研究了 InP/金刚石键合界面的纳米结构，如图 1 所示。
图1
图2为结合在 InP 衬底表面的金刚石基板，可以通过透明的金刚石基板观察到两者的键合界面。同时可以观察到两层基板之间的间隙引起的漫反射，如果环境清洁度和基板表面平整度得到改善，则大部分接触区域将形成直接键合。对结合的金刚石基底上施加 9.3 MPa（84 N for 3 × 3 mm）的剪切力时，结合界面处产生断裂，通时沿 InP（110）面发生解理。该团队之前的研究中，Si/金刚石和Ga2O3/金刚石的剪切强度分别为 31.8 和 14 MPa。虽然InP/金刚石的键合界面较低，但已满足 MIL STD 883E 的芯片剪切强度要求。
图2
衬底表面需要足够光滑才能形成直接粘合，其均方根(RMS)粗糙度最好小于~ 5 Å。表面需要足够光滑才能直接粘合；本研究中使用的金刚石基材具有原子级光滑的表面，RMS 粗糙度小于 3 Å；InP 衬底表面的 RMS 粗糙度最初为 2.76 ± 0.3 Å，而氧等离子体刻蚀后的表面粗糙度为3.03 ± 0.3 Å；对于形成键合来说足够光滑，图3为原子力显微镜AFM下的InP表面形貌。
图3
通过角分辨 X 射线光电子能谱 (XPS) 研究了InP衬底的表面化学成分，如图 4 所示。测量深度取决于光电子的（take-offangle），掠出角为10.75° 和 63.25°时，非弹性平均自由程 (IMFP) 的计算值分别大约1和4nm。
图4
在等离子体刻蚀之前，In-O 和 P-O 键的数量相对较少，并且衬底表面存在有机污染物。这表明表面检测到的 OH 基团可能是由污染物中的 C-OH 键引起的。而在等离子体处理后，有机污染物已被刻蚀殆尽，而InP 表面依然存在In-O 和 P-O键。因此，在表面检测到的 OH 键可能归因于InP 衬底上产生的 In-OH、P-OH，表明InP 和金刚石衬底上的 OH 基团可能在键合过程中相互反应。
使用聚焦离子束 (FIB) 将InP样品减薄至10μm后，使用透射电子显微镜 (TEM) 观察 InP/金刚石结合界面的纳米结构，如如图 5 所示。可在InP和金刚石基板接合界面处观察到厚度约为 3 nm 的非晶层，而且两者之间没有形成裂纹或纳米空隙的原子键。
图5
使用能量色散X射线光谱 (EDX) 进行成分分析，如图6所示。键合界面的非晶层由In、P、O和C组成，为典型的通过氧等离子体处理后的结果；而C原子据推测扩散到由氧等离子体形成的InP衬底上的氧化物层中。虽然中间过渡层的热导率较低，但与传统方法（例如 2–4 µm 厚的金属层）相比非常薄。因此， InP/金刚石键合技术将有助于InP电子器件的有效散热。
图6
总的来说，本文提供了一种将InP和金刚石衬底直接键合的工艺，以改善InP基电子设备的散热情况。该工艺通过由氧等离子体处理的InP衬底与在大气条件下用NH3、H2O2和H2O的混合物清洗过的金刚石衬底接触，然后在250 °C下对接触的样品进行退火来形成直接键合。由于在预键合处理后两个基底表面都是原子级光滑的，因此InP和金刚石基板成功地产生了剪切强度为 9.3 MPa 的直接键合。界面分析表明，它们通过厚度约为3 nm的非晶中间层结合，没有裂纹或纳米空隙。由于可以通过简单的程序实现先进的热管理，因此这种键合技术将有助于未来具有更高集成度和功率密度的InP半导体电子器件。
但作为一个以热管理为目的的键合工艺，笔者认为，InP/金刚石复合材料的热导率测量与散热效率类比应该是必不可少的。但文中提供的键合方式，相比当前制备氮化镓/金刚石、硅/金刚石等复合材料的异质外延化学气相沉积（CVD）、磁控溅射等工艺简单高效了不少，并降低了生产成本，有助于新型集成半导体电子材料的快速量产。
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