北大&化合積電：GaN-on-Diamond直接異質外延重大突破

隨著GaN器件向高功率密度、小型化邁進，自熱效應成為制約其性能和可靠性的主要瓶頸。金剛石作為終極導熱材料（熱導率高達2200 W/(m·K)），是理想的散熱襯底，能從根本上解決熱積累問題。

然而，傳統GaN與金剛石的集成方式存在諸多痛點：采用鍵合法，依賴中間層，易產生界面空洞、結合強度低、熱阻高；在GaN上直接生長金剛石，需引入保護層防止等離子體損傷，但往往得到多晶金剛石，晶粒細小、界面空隙多，熱阻不降反升。因此，在金剛石襯底上直接外延高質量GaN，成為實現高效熱管理的終極方案。但這一路線長期受困于金剛石(111)表面的非晶層和強C–C鍵，導致III族氮化物難以成核，晶體質量差。

近日，化合積電與北京大學物理學院楊學林、沈波教授團隊，在GaN on diamond(111) 直接異質外延取得重大突破。相關成果以“High-mobility AlGaN/GaN heterostructures directly grown on diamond (111) substrates using a high-temperature physical-vapor-deposition AlN nucleation layer”為題，發表于國際應用物理權威期刊 《Applied Physics Letters》。

化合積電創新采用高溫物理氣相沉積PVD在金剛石（111）上沉積高質量AlN，通過高溫消除非晶層，同時采用高能等離子體粒子修飾金剛石表面鍵，從而獲得具有優異面內和面外晶體取向的AlN成核層。北京大學團隊在此高質量AlN成核層上，通過 MOCVD 外延生長出低位錯密度GaN層和高遷移率AlGaN/GaN異質結構，室溫電子遷移率達1640 cm2/(V s)，較此前金剛石襯底的最高報道值提升超兩倍。 

該技術實現金剛石 (111) 襯底上 GaN 基異質結的高質量直接外延，克服了傳統工藝的界面熱阻、結合強度不足等問題，充分發揮金剛石的超高熱導率優勢，為高功率 GaN 微波器件、功率開關器件解決自熱效應提供了全新技術路徑，加速 GaN-on-Diamond 在 5G/6G 通信、新能源、航空航天等高端電子器件領域的應用。

圖文導讀

物理氣相沉積法沉積的AlN層的工藝溫度對其界面結構和平面取向的影響。(a) 示意圖展示了沉積于金剛石基底上的PVD-AlN層，其生長溫度從低溫(LT, 25℃)到中溫(MT, 600℃)再到高溫(HT, 1000℃)逐步變化。(b) (i)–(iii) 原子分辨率iDPC-STEM圖像揭示AlN/金剛石界面隨溫度變化的特性： (i) 25℃（LT）呈現1.1納米非晶介質層，(ii) 600℃（MT）縮減至0.6納米，(iii) 1000℃（HT）實現無非晶介質層界面。(c) 對應的AlN (10 1ˉ 2)晶面XRDφ掃描表明存在溫度依賴的平面取向調控：六重對稱峰隨溫度升高逐漸顯現并增強，證實高溫生長條件下外延取向性得到改善。