随着GaN器件向高功率密度、小型化迈进，自热效应成为制约其性能和可靠性的主要瓶颈。金刚石作为终极导热材料（热导率高达2200 W/(m·K)），是理想的散热衬底，能从根本上解决热积累问题。
然而，传统GaN与金刚石的集成方式存在诸多痛点：采用键合法，依赖中间层，易产生界面空洞、结合强度低、热阻高；在GaN上直接生长金刚石，需引入保护层防止等离子体损伤，但往往得到多晶金刚石，晶粒细小、界面空隙多，热阻不降反升。因此，在金刚石衬底上直接外延高质量GaN，成为实现高效热管理的终极方案。但这一路线长期受困于金刚石(111)表面的非晶层和强C–C键，导致III族氮化物难以成核，晶体质量差。
近日，化合积电携手北京大学物理学院杨学林、沈波教授团队，在GaN on diamond(111) 直接异质外延取得重大突破。相关成果以“High-mobility AlGaN/GaN heterostructures directly grown on diamond (111) substrates using a high-temperature physical-vapor-deposition AlN nucleation layer”为题，发表于国际应用物理权威期刊 《Applied Physics Letters》。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0315800
化合积电创新采用高温物理气相沉积PVD在金刚石（111）上沉积高质量AlN，通过高温消除非晶层，同时采用高能等离子体粒子修饰金刚石表面键，从而获得具有优异面内和面外晶体取向的AlN成核层。北京大学团队在此高质量AlN成核层上，通过 MOCVD 外延生长出低位错密度GaN层和高迁移率AlGaN/GaN异质结构，室温电子迁移率达1640 cm²/(V s)，较此前金刚石衬底的最高报道值提升超两倍。
物理气相沉积法沉积的AlN层的工艺温度对其界面结构和平面取向的影响。(a) 示意图展示了沉积于金刚石基底上的PVD-AlN层，其生长温度从低温(LT, 25℃)到中温(MT, 600℃)再到高温(HT, 1000℃)逐步变化。(b) (i)–(iii) 原子分辨率iDPC-STEM图像揭示AlN/金刚石界面随温度变化的特性： (i) 25℃（LT）呈现1.1纳米非晶介质层，(ii) 600℃（MT）缩减至0.6纳米，(iii) 1000℃（HT）实现无非晶介质层界面。(c) 对应的AlN (10 1¯ 2)晶面XRDφ扫描表明存在温度依赖的平面取向调控：六重对称峰随温度升高逐渐显现并增强，证实高温生长条件下外延取向性得到改善。
金刚石基底上高温物理气相沉积AlN的结构与晶体学表征。(a)和(b)不同尺度下的HR-HAADF-STEM截面图像揭示了AlN与金刚石基底之间无非晶相的界面（黄色三角标记）。(c) 原子力显微镜表面形貌图显示AlN在金刚石表面均匀成核。(d) AlN (0002)与(10 1¯ 2)衍射峰的X射线摇摆曲线呈现0.84°和0.89°的窄半高宽值，分别表明其具有卓越的平面内与平面外晶体取向。
该技术实现金刚石 (111) 衬底上 GaN 基异质结的高质量直接外延，克服了传统工艺的界面热阻、结合强度不足等问题，充分发挥金刚石的超高热导率优势，为高功率 GaN 微波器件、功率开关器件解决自热效应提供了全新技术路径，加速 GaN-on-Diamond 在 5G/6G 通信、新能源、航空航天等高端电子器件领域的应用。
化合积电将持续聚焦宽禁带半导体材料的前沿技术，深耕金刚石在关键应用领域的技术攻关与产业化探索，以材料创新助力下一代高功率电子器件发展。
