哈工大团队：GaN上厚膜金刚石生长取得新突破

近年来，随着AI服务器、5G通信、高频雷达等应用快速发展，以氮化镓（GaN）为代表的宽禁带半导体器件正不断向更高功率密度演进。然而，器件功率提升的同时，自热效应也日益突出，散热能力逐渐成为限制GaN器件性能与可靠性的关键瓶颈。相比传统碳化硅（SiC）衬底，金刚石凭借高达约2200 W/m·K的超高热导率，被认为是最具潜力的热扩散材料之一。因此，“GaN+金刚石”的集成结构，近年来成为高功率电子器件热管理领域的重要研究方向。

近期，来自哈尔滨工业大学朱嘉琦研究团队，围绕高温条件下金刚石在GaN表面的稳定生长问题，提出了一种SiNx/Si双中间层策略，实现了厚膜多晶金刚石在GaN上的稳定沉积。相关成果以“High-temperature stable growth of thick polycrystalline diamond film on GaN enabled by a SiNx/Si double interlayer”为题，发表在《Diamond & Related Materials 》期刊。

论文指出，目前GaN与金刚石结合主要有两条技术路线：一类是晶圆键合，另一类则是直接在GaN表面生长金刚石薄膜。相比需要高精度抛光、焊料键合以及后续减薄工艺的晶圆键合方案，直接生长方式更具工艺简化潜力，但也面临明显挑战。尤其是在约800℃的高温化学气相沉积环境下，GaN容易发生氢等离子体诱导退化，同时金刚石膜与GaN之间还会因热膨胀失配而产生界面剥离。

为解决这一问题，研究团队设计了SiNx/Si双中间层结构。其中，SiNx层主要用于抑制氢等离子体对GaN表面的损伤，并维持界面稳定；而Si层则有助于改善碳物种成核与界面结合能力，从而提高金刚石附着性。研究人员首先尝试仅使用SiNx单层结构，但在微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）过程中出现了明显的金刚石膜剥离现象。随后，在SiNx上进一步引入约5 nm厚的Si层后，界面稳定性明显改善。

在实验中，团队采用820℃ MPCVD工艺，在GaN衬底上连续沉积50小时，最终获得厚度约50 μm的多晶金刚石膜。扫描电子显微镜结果显示，薄膜表面形成了连续致密的晶粒结构，并呈现典型柱状生长特征。更重要的是，截面观察未发现明显的大面积剥离或严重界面损伤。

进一步的TEM、HAADF-STEM以及STEM-EDS分析表明，金刚石/中间层/GaN之间形成了清晰、突变型异质界面，Ga元素并未向上扩散至中间层或金刚石区域，说明高温沉积过程中界面化学稳定性较好。与此同时，XRD测试显示，金刚石膜具有轻微的<111>择优取向；拉曼测试则观察到位于1331 cm⁻¹附近的典型金刚石峰，且未检测到明显石墨化相关D峰与G峰，表明所得薄膜中金刚石相占主导。

总体来看，该研究展示了一种在高温条件下实现GaN表面厚膜金刚石稳定生长的新路径。SiNx/Si双中间层不仅有效缓解了界面剥离问题，也在一定程度上兼顾了GaN保护与金刚石成核需求。这为未来GaN高功率器件的热管理结构设计，以及“GaN-on-diamond”相关技术路线的发展，提供了新的材料集成思路。

图1. (a) 商用GaN衬底，(b) 沉积工艺示意图，(c) 带有50 μm金刚石的样品。

图2. (a) 剥离金刚石薄膜层底面的N1s谱分析，图中示出了剥离金刚石薄膜层；(b) 剥离金刚石薄膜层底面的C1s谱分析。