在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊上，研究人员提出了一种创新的方法，通过直接晶圆键合技术将硅碳（SiC）与铜（Cu）结合，成功制备出具有优异机械性能和热性能的异质结构。这项研究解决了传统焊接材料在高温下易于降解、影响器件性能的问题，为高功率电子设备提供了更可靠、更高效的热管理解决方案。
研究背景与目标
硅碳（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，具有出色的高温和高压耐受能力，广泛应用于高功率设备中。然而，SiC与铜之间存在显著的晶格不匹配和热膨胀系数差异，这使得在高温环境下，二者的界面容易出现热应力，导致界面剥离和裂纹，从而影响器件的可靠性。传统的焊接材料，如焊锡，在高温下会发生氧化和老化，导致可靠性降低。为了改善这一问题，研究人员采用了直接晶圆键合技术，在不使用任何中间层的情况下实现了SiC与铜的强键合。
TDTR技术的应用与贡献
时域热反射（TDTR）技术是这项研究中的关键工具，用于精确测量SiC与铜界面的热导率。TDTR通过超短脉冲激光激发样品表面，产生瞬态热脉冲，并通过探测反射光的变化来分析热传输特性。该技术特别适用于薄膜和异质结构材料的热特性研究，因为它能够在纳米尺度上解析热传输过程。
在本研究中，TDTR技术由Aunist（昊远精测）提供的Pioneer ONE系统进行。通过该系统，研究人员测量了SiC/Cu异质结的界面热导率，结果表明，SiC/Cu异质结的界面热导率高达0.128 GW/m²·K，远高于传统焊接材料的热导率。这一发现为SiC与铜的高效热管理提供了理论依据，并证明了直接晶圆键合技术在热传输方面的优越性。
TDTR测试方法
TDTR（时间分辨热反射）测试是一种高精度的热导率测量方法，通过泵浦激光加热样品表面，探测激光监测反射率变化来推导热传输特性。
实验条件：
泵浦激光：波长532 nm，调制频率1 MHz。
探测激光：波长1064 nm。
样品表面多次测量，以消除不均匀性或污染的影响。
计算方法：通过热传输模型和小二乘法拟合实验数据，计算界面热导率（ITC）。
实验结果及意义
研究人员通过电子显微镜（STEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析发现，SiC与铜之间的界面没有氧化层，这表明直接键合方法能够有效避免氧化层的形成，确保了良好的热导性能。此外，通过与其他方法制备的SiC/Cu样品进行对比，直接键合的SiC/Cu异质结在热性能上表现出了显著的优势。TDTR测得的界面热导率与分子动力学模拟结果相符，进一步验证了该方法的有效性。
结论
这项研究展示了直接晶圆键合技术在硅碳与铜异质结构中的成功应用，解决了传统焊接方法在高温环境下的局限性。通过采用Aunist（昊远精测）提供的TDTR技术，研究人员精确测量了SiC/Cu界面的热传导性能，并发现界面热导率达到0.128 GW/m²·K，显示出卓越的热管理能力。这一发现为高功率电子设备的热管理提供了新的解决方案，并为未来在高温和高功率应用中的器件设计奠定了基础。
文章链接：Direct Wafer Bonding of Silicon Carbide and Copper | ACS Applied Materials & Interfaces
