晶体管作为20世纪最伟大的发明之一,为世界的发展做出了巨大的贡献,但是由于短沟道效应的存在,使得微电子器件的尺寸不能被无限缩小,相比之下,以光子为载体的光子器件便展现出了巨大的优势,也由此诞生了硅基光子学。硅作为第一代半导体,以其成熟的工艺、较低的加工成本,在微电子领域被广泛地应用,但是由于其能带为间接带隙,在发光方面有着先天的不足,很难直接被用来制备发光器件。而与之相比以GaAs和InP为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物具有直接带隙结构,是制备光电子器件良好材料。因此,人们试图通过将Ⅲ-Ⅴ族器件集成到硅平台上来解决这一问题。目前Ⅳ-Ⅴ族与Si的集成一般使用的方法有外延生长和晶圆键合等方法,异质材料的外延生长会由于衬底与外延层的晶格系数和热膨胀系数的不同在材料内部引入晶格失配应力和热失配应力,而晶圆键合则是在外部作用下将衬底与器件直接贴合而成,因此消除了晶格失配应力,在减少应变能方面效果更为显著,但是即使如此,晶圆键合仍然无法避免退火过程中产生的热失配应力,为此键合过程中热应力对于键合材料的影响便成为一项具有研究价值的课题。本论文通过引入a-Ge中间层材料实现GaAs与Si的键合,围绕键合退火后热应力对键合材料的影响进行了实验尝试与模拟研究,得到了以下研究结论:1、利用a-Ge作为中间层实现了 GaAs与Si的键合。分别研究了不同退火温度、不同退火时间对键合质量的影响:随着退火温度升高,键合界面的气泡减少,贴合面积增大,当退火温度高于300℃时,对键合面积的影响便不明显;而随着退火时间越长,键合面积越大;作为对比,使用a-Si作中间层制备GaAs与Si的键合样品,经过SEM、TEM的表征发现,使用a-Ge作为中间层的键合样品在气泡周围a-Ge结晶,随着结晶区域逐渐覆盖整个气泡,气泡最终消失,键合面积增加。但是a-Si的结晶温度通常在600摄氏度以上,因此退火中没有观察到a-Si结晶。2、研究了退火后热应力对于GaAs与Si键合界面的影响。使用熔融态KOH腐蚀GaAs表面后,在键合区域观察到了位错蚀刻坑,随着键合退火温度的升高,表面的位错刻蚀坑的数量上升;在300℃和350℃退火的未键合区域,GaAs键合表面观察到了一些凹坑,在凹坑附近发现了比其他区域更多的位错。这些现象表明,在退火产生的热应力影响下,键合界面会产生缺陷,同时释放了 Si与GaAs热失配的应变能。3、为了揭示位错分布与热应力分布的关系,构建了与实验的键合样品相似键合界面的模型。使用ANSYS对这些模型进行热应力仿真,在样品的键合区域,热应力随着温度的上升而增加;此外,未键合区与键合区边界处的热应力明显大于键合区域的热应力,这种边界处的应力突增是GaAs表面凹坑产生的原因;设计了键合片衬底的结构,选择了沟道阵列和多孔硅的衬底模型进行模拟,发现两种模型可以减少退火热应力。使用多孔硅作为衬底进行了键合实验,熔融态KOH对键合片的GaAs键合表面刻蚀后,发现在多孔硅键合区域的位错刻蚀坑数量明显少于采用普通Si键合的区域,证明了多孔硅作为键合衬底,对于退火热应力确实有一定的弛豫作用。