中国科学院上海微系统所异质集成XOI团队和南京电子研究所超宽禁带半导体研究团队合作，在金刚石基氧化镓异质集成材料与器件领域取得突破性进展。该研究成果于12月9号在第70届国际电子器件大会（IEDM 2024）以口头报告形式发表“First Demonstration of Wafer-level Arrayed β-Ga2O3 Thin Films and MOSFETs on Diamond by Transfer Printing Technology”。博士生赵天成、南京电子研究所郁鑫鑫高级工程师、徐文慧助理研究员为本论文共同第一作者，徐文慧助理研究员、欧欣研究员、南京电子研究所李忠辉研究员为论文共同通讯作者，上海微系统所为第一完成单位。
氧化镓在宽/超宽禁带半导体材料中热导率（0.1-0.27 W/m·K）最低，不到硅材料的1/5，这使得氧化镓器件在大功率工况下面临严重自热效应和寿命短等可靠性问题。金刚石是自然界已知热导率最高的材料，是大功率、射频器件的理想热沉衬底材料，将金刚石用于异质集成正在成为大功率器件热管理的重要研究方向，如图1所示。然而，金刚石与氧化镓等功率、射频半导体材料晶格失配度大，且金刚石晶圆形貌和表面平整度差，这使得通过直接外延生长和晶圆键合实现金刚石基异质集成材料面临巨大挑战。
图1氧化镓高导热异质集成技术发展趋势
上海微系统所研究团队创新发展XOI晶圆转印技术，在国际上率先实现阵列化氧化镓单晶薄膜与1英寸金刚石衬底的异质集成，如图2所示。转移处理后氧化镓单晶薄膜材料摇摆曲线半高宽为78 arcsec，表面粗糙度为0.35 nm；金刚石/氧化镓异质界面过渡层厚度小于2 nm，界面热阻为21.7 m2·K/GW，为目前已报道最优值。基于此制备的射频器件性能和散热能力得到显著提升，器件开态饱和电流高达810 mA/mm，最大振荡频率去嵌前达到61 GHz，为目前报道最高值；相同功率下，器件结区最高温度相比氧化镓同质器件降低250℃，散热能力提升11倍，器件热阻仅为5.52W·mm/K，极大提升氧化镓射频器件性能和散热能力。该方法不仅成本低、不受晶圆表面质量限制，还兼容其他不同尺寸、不同种类的XOI异质集成薄膜到任意衬底上甚至任意位向的转移。
图 2. （a）1英寸金刚石基阵列化氧化镓单晶薄膜及其制备流程，（b）金刚石基氧化镓与氧化镓同质薄膜 RF MOSFET器件结温和器件热阻对比
本研究工作充分证明了晶圆级金刚石基氧化镓异质集成材料具有优异的散热能力和射频应用前景，是继硅基、碳化硅基氧化镓异质集成材料（IEDM 2019）后的又一大新突破，将进一步推动高性能氧化镓器件的发展，并为金刚石基异质集成材料制备提供新范式。本研究成果得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划和上海市战略前沿专项等项目支持。
