哈工大朱嘉琦团队攻克GaN高温散热难题：双中间层实现高质量金刚石厚膜稳定生长

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（来源：第三代半导体产业）

近年来，随着AI服务器、5G/6G通信、高频雷达、新能源电力电子等高端领域高速迭代发展，以氮化镓（GaN）为核心的第三代宽禁带半导体器件，持续向超高功率密度、高频、高效率方向快速演进。伴随器件集成度与输出功率大幅提升，芯片自热效应愈发显著，局部热积聚问题日益严峻，散热性能已然成为制约高功率GaN器件峰值性能、服役稳定性及长期可靠性的核心瓶颈。相较于传统碳化硅（SiC）衬底材料，金刚石拥有高达约2200 W/m·K的极致超高热导率，是当前已知综合性能最优的半导体散热封装材料，也是解决高功率器件热失效问题的核心备选材料。因此，构建高性能“GaN+金刚石”异质集成结构，已成为全球高功率电子器件热管理领域的重点研究方向与主流技术突破口。

近期，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授团队针对高温工况下GaN基底金刚石薄膜稳定生长难题，创新提出SiNx/Si双中间层协同调控策略，成功实现大厚度、高质量多晶金刚石膜在GaN衬底上的高温稳定沉积，有效攻克行业长期存在的技术壁垒。相关研究成果以《High-temperature stable growth of thick polycrystalline diamond film on GaN enabled by a SiNx/Si double interlayer》为题，正式发表于国际权威期刊《Diamond & Related Materials》，为高可靠“GaN-on-diamond”技术的产业化落地提供了全新、可行的材料集成方案。

当前业界主流的GaN与金刚石异质集成技术主要分为两大路线，分别为晶圆键合工艺与GaN表面原位金刚石生长工艺。其中，传统晶圆键合技术需依托高精度表面抛光、焊料键合、多层减薄等复杂工序，工艺流程繁琐、制备成本高昂，且界面易引入杂质与缺陷，热阻控制难度大，难以适配低成本、规模化量产需求。相比之下，原位直接生长技术具备工艺简化、界面结合紧密、低热阻的天然优势，是下一代高可靠GaN散热集成的理想技术方向。但该技术长期存在两大核心瓶颈难以突破：一方面，金刚石MPCVD沉积所需的高温氢等离子体环境，极易引发GaN衬底表面退化、刻蚀分解，造成基底损伤与界面失效；另一方面，金刚石与GaN材料热膨胀系数存在巨大差异，高温生长与室温冷却过程产生极强界面热应力，导致金刚石薄膜开裂、大面积剥离，行业内始终难以实现高质量、大厚度金刚石厚膜的稳定制备。此外，传统SiNx、SiO₂等单层介质中间层方案功能单一，仅能有限实现防腐蚀或辅助成核效果，无法同时满足GaN基底防护、金刚石高效成核、界面应力缓释、厚膜稳定生长的多重需求，严重制约了“GaN-on-diamond”技术的工程落地与产业化应用。

针对上述行业技术痛点，哈工大朱嘉琦团队创新研发SiNx/Si功能梯度双中间层复合结构，通过双层薄膜功能分区、协同耦合的设计思路，构建“防护-成核-稳界面-释应力”一体化调控体系，精准攻克单层中间层的技术短板，实现高温环境下金刚石厚膜的长效稳定生长。团队通过多组对照实验验证了双层结构的不可替代性：研究初期，团队率先采用纯SiNx单层中间层方案开展实验，结果显示，虽SiNx层可一定程度防护GaN基底，但金刚石成核性能差、界面结合力薄弱，在MPCVD高温沉积过程中出现明显的膜层剥离、脱落问题，无法实现连续厚膜生长。在此基础上，团队优化结构设计，在SiNx防护层表面引入约5 nm超薄硅层，构建SiNx/Si双中间层体系，彻底改善界面状态，大幅提升金刚石成核效率与膜基结合稳定性，成功解决了传统方案的致命缺陷。

该双中间层结构具备清晰的功能分工与协同优势，各层精准适配生长需求、互补增效。底层致密非晶SiNx薄膜作为核心防护屏障，可有效隔绝高温氢等离子体对GaN衬底的刻蚀与损伤，全程维持GaN基底晶体结构完整与界面化学稳定性，从根源上抑制GaN高温退化问题；顶层超薄Si功能层作为金刚石生长成核桥梁，可显著优化碳源吸附、富集与成核行为，大幅提升金刚石成核密度与界面结合强度，解决了SiNx层成核能力弱的短板。同时，SiNx、Si、金刚石形成梯度热膨胀过渡结构，有效缓释异质材料界面热失配产生的残余应力，规避高温生长、降温全过程中的膜层开裂、剥离风险，彻底突破了传统工艺的金刚石膜厚生长上限。

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。

为充分验证双中间层结构的适配性与工艺稳定性，团队采用820℃高温MPCVD工艺，在优化后的GaN/SiNx/Si复合衬底上开展长达50小时的连续稳态沉积实验，最终成功制备出厚度约50 μm的超大厚度、高质量多晶金刚石厚膜，实现了行业突破性的厚膜生长效果。多维度微观表征与性能测试结果充分证实膜层与界面的优异性能：扫描电子显微镜（SEM）测试显示，所制备的金刚石薄膜表面晶粒连续致密、排布均匀，呈现典型的柱状生长特征，膜层整体完整性极高，截面观测未发现大面积剥离、空洞及严重界面损伤，宏观结构稳定性优异。

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。

透射电镜（TEM）、高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）及扫描透射电镜能谱（STEM-EDS）精细表征进一步表明，金刚石/双中间层/GaN多层结构界面清晰规整，呈现突变型高质量异质界面，无明显界面扩散与混杂缺陷。同时，测试未检测到Ga元素向上扩散至中间层及金刚石膜区域，充分证明该双中间层体系能够有效阻隔元素互扩散，保障高温沉积全过程的界面化学稳定性。X射线衍射（XRD）测试结果显示，制备的金刚石薄膜具备轻微的<111>择优生长取向，晶体生长取向规整、结构有序；拉曼光谱测试在1331 cm⁻¹处观测到尖锐纯净的金刚石特征峰，未检测到石墨化对应的D峰与G峰，无明显非晶碳、石墨等杂质缺陷，证实薄膜以高纯sp³金刚石相为主，结晶质量极佳。

综合测试结果表明，相较于无中间层、纯SiNx单层、纯Si单层等传统方案，SiNx/Si双中间层策略可同时实现基底防护、高效成核、应力缓释、高质厚膜生长多重效果，综合技术优势显著，是当前GaN表面超大厚度、高纯度、高稳定性金刚石薄膜可控制备的最优技术方案。

本次研究成果成功突破了GaN基金刚石散热集成的多项核心工艺瓶颈，补齐了传统原位生长技术稳定性差、膜厚有限、易剥离的短板。相较于工艺复杂、成本高昂的晶圆键合技术，该创新方案工艺流程精简、界面结合紧密、界面热阻更低，膜层均匀性与一致性优异，且工艺成本可控、可无缝兼容现有半导体薄膜沉积量产体系，具备极强的工程落地性与产业化潜力。依托50小时连续稳态沉积可制备50 μm超厚金刚石膜的技术优势，该方案可满足高功率GaN射频器件、高压电力电子器件、星载高频器件、高密度AI算力模块的极致散热需求，为高端第三代半导体器件的热管理结构升级提供了全新产业化路径。

该研究提出的SiNx/Si梯度复合双中间层设计思路通用性、普适性极强，不仅完美适配GaN与金刚石的异质集成体系，也可为SiC、AlN等各类宽禁带半导体的高温薄膜生长、界面应力调控、异质结构建提供重要的理论支撑与技术参考。研究完整验证了“防护层+成核层”双层协同的创新机制，有效破解了高温环境下GaN基底保护与金刚石厚膜高质量生长的矛盾，为“GaN-on-diamond”核心技术路线的迭代升级、规模化应用提供了全新的材料集成方案，对推动我国第三代半导体与超硬功能薄膜材料融合创新、突破高端半导体热管理“卡脖子”技术、提升行业自主化水平具有重要的科研价值与工程意义。

据悉，朱嘉琦教授团队长期深耕金刚石功能材料、宽禁带半导体异质集成、高端功能薄膜与器件可靠性研究，攻克了多项行业“卡脖子”关键技术，形成了系列自主知识产权成果。本次研究成果进一步夯实了团队在半导体高效热管理领域的技术优势，为后续高可靠、超高功率GaN器件的规模化产业化应用奠定了坚实基础。

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