【会员新闻】高温亲水性键合结合离子束剥离技术制备晶圆级β-Ga₂O₃/SiC异质集成材料

1、工作简介

      中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成XOI课题组采用大气条件的高温亲水性键合结合离子束剥离技术，成功将2英寸的高质量（-201）β-Ga₂O₃单晶薄膜转移到了4H-SiC衬底上，并系统研究了注氢β-Ga₂O₃表面起泡的演变过程及该过程中气泡内部的压力变化。相关研究成果以“ Wafer-scale single-crystalline β-Ga₂O₃ thin film on SiC substrate by ion-cutting technique with hydrophilic wafer bonding at elevated temperature”为题在线发表在由中国科学院和国家自然基金委员会主办的Science China Materials期刊上。论文共同第一作者为中科院上海微系统所博士研究生沈正皓和博士后徐文慧。论文通讯作者为中科院上海微系统所异质集成XOI课题组的欧欣研究员和游天桂研究员，以及西安电子科技大学的韩根全教授。

2、研究背景

      β-Ga₂O₃是最具应用价值的超宽禁带半导体之一，其禁带宽度高达~4.9 eV。得益于~8 MV/cm的超高击穿场强，300 cm²/V·s的良好本征电子迁移率以及低成本高质量β-Ga₂O₃晶圆的可行性，它在下一代功率器件中存在巨大的应用潜力。然而，β-Ga₂O₃的热导率很低，仅9.9-29.0 W/m·K，这在器件高功率运转过程中会带来严重的自热效应，恶化β-Ga₂O₃功率器件的稳定性。因此，有效的热管理对于β-Ga₂O₃功率器件至关重要。一种非常有前景的解决方案是将β-Ga₂O₃薄膜与SiC（340 W/m·K）、金刚石（2200 W/m·K）等高导热衬底进行异质集成，从而提升β-Ga₂O₃功率器件的散热能力。但是，由于大的晶格失配和热失配，在SiC和金刚石衬底上异质外延生长的β-Ga₂O₃薄膜的质量难以满足制备高性能功率器件的需求。相比之下，晶圆键合技术能够突破材料晶格失配的限制，是一种实现β-Ga₂O₃与异质衬底集成的可行方式。通过表面活化键合（SAB）与离子束剥离技术相结合的方式，我们已经能够将晶圆级的β-Ga₂O₃薄膜转移到SiC衬底上。尽管SAB技术已经实现了β-Ga₂O₃与SiC衬底间的高强度键合和单晶质量的β-Ga₂O₃薄膜转移，但是超高真空的键合条件限制了该技术的广泛应用。此外，SAB过程中的快速Ar离子轰击会导致键合界面上缺陷的生成。与SAB技术相比，亲水性键合是一种可以在大气条件下键合异质晶圆的更加实用的方案，并且该技术对键合界面的损伤很小。然而，由于β-Ga₂O₃与SiC之间热膨胀系数的失配，离子束剥离的高温退火过程引起的异质界面热应力会破坏室温下亲水性键合的β-Ga₂O₃/SiC键合对。因此，有必要改进常规的室温亲水性键合，以实现通过离子束剥离技术转移高质量β-Ga₂O₃薄膜。此外，β-Ga₂O₃中氢注入引起的表面起泡过程尚未得到很好的阐明，剖析该过程对于理解离子束剥离β-Ga₂O₃薄膜的物理机制至关重要。

3、研究亮点

      研究团队通过高温亲水性键合结合离子束剥离技术，成功将2英寸的高质量（-201）β-Ga₂O₃单晶薄膜转移到了4H-SiC衬底上（如图1a和b）。为理解离子束剥离β-Ga₂O₃薄膜的物理机制，系统研究了注氢β-Ga₂O₃表面起泡的演变过程及该过程中气泡内部的压力变化（如图1c、d和e）。

图1. (a) β-Ga₂O₃与4H-SiC晶圆的高温亲水性键合示意图；(b) 通过离子束剥离技术转移到4英寸SiC衬底上的2英寸β-Ga₂O₃薄膜；(c) 光学显微镜下H注入的β-Ga₂O₃在不同温度下退火后的表面形貌；(d) 表面起泡的物理过程；(e)相同气泡高度下，气泡中的压强Δp和起泡层中的应力σ₀随气泡直径的变化。

     采用有限元模拟预测合适的键合温度，通过将β-Ga₂O₃和4H-SiC晶圆在96 ℃的温度下进行高温亲水性键合，有效降低了离子束剥离过程中异质界面上的热应力，防止β-Ga₂O₃/4H-SiC键合对的解键合以实现薄膜的转移（如图2a和b）。最终，制备的β-Ga₂O₃薄膜具有优异的单晶质量，衍射峰半高宽为79.2 arcsec。对薄膜进行化学机械抛光后，获得了极光滑的表面，均方根粗糙度仅0.1 nm（如图2c、d、e和f）。

图2. (a) 300℃退火时β-Ga₂O₃/4H-SiC异质界面边缘的热应力分布；(b) 有限元模拟的最大热应力随退火温度和键合温度的变化；(c) β-Ga₂O₃体单晶与900℃退火前后的β-Ga₂O₃薄膜的XRD曲线；(d) 抛光的β-Ga₂O₃薄膜的AFM表面形貌；(e), (f) β-Ga₂O₃/4H-SiC异质界面的纵截面TEM图像和键合界面附近的Ga，Al，Si EDS扫描。

4、总结与展望

      该工作通过高温亲水性键合结合离子束剥离技术的方式，成功将2英寸的高质量（-201）β-Ga₂O₃单晶薄膜转移到了4H-SiC衬底上。对薄膜进行化学机械抛光后，获得了均方根粗糙度仅0.1 nm的光滑表面。采用高温亲水性键合结合离子束剥离技术制备的β-Ga₂O₃/4H-SiC异质集成材料将为开发高性能β-Ga₂O₃功率器件提供实用平台。