華林科納的化合物半導(dǎo)體異質(zhì)集成

定制化合物半導(dǎo)體并將其集成到外國(guó)襯底上的能力可以帶來卓越或新穎的功能，并對(duì)電子、光電子、自旋電子學(xué)、生物傳感和光伏的各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生潛在影響。這篇綜述簡(jiǎn)要描述了實(shí)現(xiàn)這種異質(zhì)集成的不同方法，重點(diǎn)介紹了離子切割工藝，也稱為商業(yè)上的Smart CutTM工藝。該工藝結(jié)合了半導(dǎo)體晶片鍵合和使用光離子注入缺陷工程的底切。只要滿足一系列技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，就可以生產(chǎn)出直接外延生長(zhǎng)通常無法實(shí)現(xiàn)的體質(zhì)量異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而在異質(zhì)和柔性器件的設(shè)計(jì)和制造中提供了額外的自由度。離子切割是一種通用工藝，可用于從各種晶體中分離和轉(zhuǎn)移精細(xì)的單晶層。介紹了材料和工程問題，以及我們目前對(duì)其應(yīng)用于從獨(dú)立的GaN、InP和GaAs晶片上切割薄層所涉及的基本物理的理解。

在他最近對(duì)技術(shù)本質(zhì)的分析中，Arthur提出，所有技術(shù)都源于先前存在的技術(shù)，因此技術(shù)進(jìn)步的本質(zhì)是基于早期技術(shù)和精細(xì)技術(shù)的新組合。Arthur提出的組合進(jìn)化概念與本綜述的主題有關(guān)，即通過晶片鍵合和薄層轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體（CS）的異質(zhì)集成。將基于CS的器件結(jié)合到傳統(tǒng)Si技術(shù)中的可能性引發(fā)了人們的興趣激增，這是由于這種異質(zhì)集成可能實(shí)現(xiàn)的新穎和改進(jìn)的功能。在這種情況下，電荷載流子遷移率（與Si相比）高得多，以及一些CS由于其直接帶隙（與Si的間接帶隙相比）而有效發(fā)光，是異質(zhì)器件發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力。

在大約半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，器件縮小規(guī)模是提高硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）性能的最重要策略。然而，保持這種無情的小型化進(jìn)程對(duì)未來的技術(shù)節(jié)點(diǎn)來說是非常具有挑戰(zhàn)性的。這一點(diǎn)在2007年版的《國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖》（ITRS）中得到了明確的證明，該路線圖確定了半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，為了滿足在10nm柵極長(zhǎng)度及以下的高規(guī)模MOSFET的性能和功率要求，在源端具有增強(qiáng)的熱載流子速度和注入的準(zhǔn)彈道操作似乎是必要的。最終，可能需要引入新的器件結(jié)構(gòu)，例如Si上的高傳輸Ge或CS溝道。如表1所示，與Si相比，幾種CS具有高得多的電子遷移率。這激發(fā)了幾種非Si晶體管的發(fā)展。從20世紀(jì)60年代中期開始，GaAs是第一個(gè)用于制造MOSFET的CS。諸如InP、GaAs、GaN的幾種CS及其三元和四元合金（InGaAs、InAlAs、AlGaN、InGaP、InGaAsN、AlGaAs和GaAsSb）以及SiGe合金已經(jīng)用于制造異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。除了GaAs，GaN和InAs在高電子遷移率晶體管（HEMT）的制造中也引起了人們的極大關(guān)注。在最近的一項(xiàng)進(jìn)展中，英特爾研究人員揭示了一種基于GaAs上InSb量子阱的新型超高速晶體管。盡管幾十年前就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到CS器件相對(duì)于Si器件的優(yōu)勢(shì)，但與Si結(jié)合的CS僅包含在2003年及以后的ITRS中。這是由于將非Si材料結(jié)合到互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管中以提高其性能并提高其能效的必要性日益增加。

異質(zhì)集成的另一種外延形式是在硅上生長(zhǎng)自組裝CS納米線。在所有合成方法中，氣相-液相-固體（VLS）工藝在產(chǎn)生高密度單晶納米線方面最成功。在這個(gè)過程中，納米線的生長(zhǎng)是通過液態(tài)金屬簇實(shí)現(xiàn)的，該液態(tài)金屬簇在催化作用下充當(dāng)氣相反應(yīng)物吸收的能量有利位點(diǎn)，并且在飽和時(shí)充當(dāng)結(jié)晶和一維生長(zhǎng)的成核位點(diǎn)。在20世紀(jì)90年代初，Hiruma及其同事首次證明了使用Au作為催化劑，通過VLS工藝生長(zhǎng)GaAs和InAs納米線。最近，幾個(gè)小組報(bào)道了在硅上生長(zhǎng)無缺陷單晶CS納米線的情況。盡管自組裝納米線可以避免工程異質(zhì)外延層中面臨的晶格和熱失配問題，但由于涉及尺寸、位置、分布、，以及生長(zhǎng)納米線的取向，以及CS薄膜器件相關(guān)加工中面臨的上述問題。

在不需要直接外延的情況下，可以通過使用晶片鍵合和層轉(zhuǎn)移技術(shù)來實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體材料在同一平臺(tái)內(nèi)的組合。在第一步中，供體晶片和宿主晶片緊密結(jié)合以形成單個(gè)實(shí)體（92–94）。通常，這可以通過遵循圖2中所示的不同粘合過程之一來實(shí)現(xiàn)。結(jié)合工藝的選擇通常取決于初始基底的性質(zhì)、它們對(duì)溫度的耐受性以及最終應(yīng)用。原則上，各種材料可以獨(dú)立于它們的結(jié)構(gòu)（單晶、多晶、非晶）、它們的晶體取向和它們的晶格參數(shù)而結(jié)合。由于篇幅有限，我們不討論粘合過程的歷史和基本問題，而是引導(dǎo)讀者閱讀相關(guān)書籍和評(píng)論文章。

為更好的服務(wù)客戶，華林科納特別成立了監(jiān)理團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員擁有多年半導(dǎo)體行業(yè)項(xiàng)目實(shí)施、監(jiān)督、控制、檢查經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)項(xiàng)目建設(shè)全過程或分階段進(jìn)行專業(yè)化管理與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)理，降本增效。利用仿真技術(shù)可對(duì)未來可能發(fā)生的情況進(jìn)行系統(tǒng)的、科學(xué)的、合理的推算，有效避免造成人力、物力的浪費(fèi)，助科研人員和技術(shù)工作者做出正確的決策，助力工程師應(yīng)對(duì)物理機(jī)械設(shè)計(jì)和耐受性制造中遇到的難題。

審核編輯 黃宇