化合积电 × 北京大学联合攻关：GaN-on-Diamond 直接异质外延实现电子迁移率重大突破

近日，化合积电与北京大学物理学院杨学林教授、沈波教授团队合作，在金刚石(111)衬底上GaN直接异质外延领域取得重要突破。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

随着GaN器件向高功率密度、小型化方向发展，自热效应已成为制约其性能与可靠性的主要瓶颈。金刚石作为超高热导率材料（热导率高达2200 W/(m·K)），是理想的散热衬底，可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显著局限：采用键合法时，因依赖中间层，易产生界面空洞、结合强度低及热阻高等问题；在GaN上直接生长金刚石时，需引入保护层以防止等离子体损伤，但往往形成多晶金刚石，晶粒细小且界面空隙较多，导致热阻不降反升。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关键方案。但该技术路线长期受困于金刚石(111)表面的非晶层及强C–C键，导致III族氮化物难以成核，晶体质量较差。

本研究中，化合积电创新采用高温物理气相沉积（PVD）技术在金刚石(111)上沉积高质量AlN成核层，通过高温处理消除非晶层，同时利用高能等离子体粒子修饰金刚石表面化学键，从而获得具有优异面内及面外晶体取向的AlN成核层。北京大学团队基于该高质量AlN成核层，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）外延生长出低位错密度GaN层及高迁移率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逾两倍。

该技术实现了金刚石(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高、结合强度不足等问题，充分发挥了金刚石的超高热导率优势，为高功率GaN微波器件及功率开关器件解决自热效应提供了全新的技术路径，加速了GaN-on-Diamond在5G/6G通信、新能源及航空航天等高端电子器件领域的应用进程。

化合积电将持续聚焦宽禁带半导体材料的前沿技术研究，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的发展。

单晶金刚石

氮化铝薄膜