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吳海平 安康 許光宇 張亞琛 李利軍 張永康李鴻 張旭芳 劉峰斌 李成明

（北方工業大學 機械與材料工程學院 北京科技大學新材料技術研究院）

摘要：

氮化鎵（GaN）功率器件具有功率高、小型化的優勢，但散熱問題已經成為限制其高功率輸出的新問題。金剛石具有塊體材料最高的熱導率，是GaN 功率器件的理想散熱材料，將金剛石與GaN 功率器件集成，可以降低器件運行溫度，提高功率密度，推進器件小型化發展。但是由于金剛石與GaN 存在大的熱膨脹失配和晶格失配，以及金剛石的高硬度和穩定的化學性質，其與GaN 集成存在很多問題，無法發揮金剛石的超高熱導率優勢。針對金剛石與GaN 的集成已經進行了研究與探索，主要包括GaN 功率器件的器件層散熱和襯底層散熱。器件層散熱主要有金剛石鈍化散熱技術，其在GaN 器件層中異質外延金剛石散熱層；襯底層散熱主要有鍵合技術、異質外延技術，其中鍵合技術通常需要在金剛石和GaN 表面沉積鍵合層或形成封端，包括表面活化鍵合技術、親水鍵合技術、原子擴散鍵合技術和水解輔助固化鍵合技術等；異質外延技術通常需要在外延表面沉積緩沖層，包括金剛石異質外延GaN 技術和GaN 底面異質外延金剛石技術。詳細介紹了GaN 材料的優勢和應用領域及面臨的挑戰，對上述集成技術的研究現狀和優缺點進行了歸納，展望了金剛石與GaN 功率器件集成技術的未來發展方向。

1.引言

GaN 作為第三代半導體材料的典型代表，與Si、Ge、GaAs、InP 等第一、二代半導體材料相比，在禁帶寬度、擊穿場強、電子遷移率、熱導率、最高工作溫度等關鍵性能上更具優勢[1]。使用GaN 材料制造的GaN 功率器件擁有高轉換效率、低導通損耗、高工作頻率、大帶寬以及高功率密度[2]，廣泛應用于通信、雷達、衛星、電力電子等領域[3-4]。

隨著系統小型化的發展，需要進一步提高GaN 功率器件的功率密度，但是GaN 功率器件工作時，本身會產生一定的功率耗散，而這部分功率耗散將會在器件內部，尤其是在導電溝道處產生大量熱量使得器件結溫有明顯升高，晶格振動散射大大加強使得漂移區內的電子遷移率降低，器件導通電阻出現明顯上升，這種現象被稱作“自熱效應”。姜守高等[5]發現GaN 基HEMT 器件在200℃存儲300 小時后，其飽和電流降低9.05%，最大跨導降低5.3%，因此散熱問題越來越重要[6-7]。如何實現有效的散熱以減弱自熱效應的影響，成為高功率密度GaN 功率器件保持高可靠性和長壽命的挑戰[8-13]。

目前GaN 材料通常使用外延法制備[14]，襯底使用Si、SiC、Al2O3、AlN、GaN 等材料[15-17]，其熱導率如表1 所示，無法發揮GaN 器件高頻率、高功率密度的優勢[18-23]。金剛石是塊體材料中熱導率最高的材料，單晶金剛石在室溫下的導熱系數高達2400W·m-1·K-1[24]，多晶金剛石熱導率也達到了2000 W·m-1·K-1 [25]，遠高于其他常用GaN 襯底材料的熱導率，是理想的散熱材料[26]。將高熱導率的金剛石與GaN 功率器件集成，憑借金剛石的超高熱導率，熱源產生的熱量會迅速地橫向擴散在基板內，提升了熱源與外界的有效換熱面積，從而可以極大地提升系統的換熱能力，大幅度提高GaN 功率器件的散熱效果，降低器件溝道溫度，從而提高GaN 功率器件的工作功率密度[27]。本文對近年來金剛石與GaN 集成技術的發展進行了介紹，詳細闡述了各種技術的設計方案、工藝流程、優缺點及應用范圍，并對未來金剛石與GaN 功率器件集成技術的發展方向進行了分析和展望。

2.金剛石/GaN 集成技術研究現狀

目前金剛石與GaN 功率器件的集成通常從兩方面進行，一是GaN 頂部的器件層散熱，主要應用金剛石鈍化散熱技術，金剛石鈍化散熱是直接在器件頂部沉積金剛石，提高熱點頂部的熱擴散，同時起到增大換熱面積的作用；二是GaN 底部金剛石襯底散熱，主要有GaN 底部異質外延金剛石、金剛石表面異質外延GaN 和鍵合技術[28-30]。

2018 年，美國AkashSystems 公司[31]開發出金剛石基GaN，用于衛星功率放大器，相比SiC 基GaN，其工作溫度從232℃降低到152℃，功率密度提升3.6 倍以上。2019年，搭載該金剛石基GaN 功率器件的衛星已成功發射，得益于金剛石的高導熱率，GaN 的高功率高頻率優勢得以發揮，衛星的數據傳輸速率達到了14 Gbps。2019 年，日本富士通公司[32]報道了一種金剛石-GaN-金剛石的雙層金剛石散熱結構，如圖1 所示，結合了金剛石鈍化散熱技術與金剛石襯底散熱技術，經測試，該結構具有優異的散熱性能，熱點溫度較無金剛石的結構下降了77%。

2.1 金剛石/GaN 鍵合技術

金剛石/GaN 鍵合技術的技術路線通常是將GaN 外延層的原始襯底通過機械研磨，化學蝕刻等方法去除，然后在GaN 暴露的底面通過磁控濺射、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）等方法沉積中間層，之后與金剛石結合。該技術存在的難點是對金剛石的表面粗糙度、彎曲度要求極高，還存在鍵合強度低，鍵合層熱阻高等問題。目前金剛石表面加工方法主要有機械拋光、化學拋光、等離子體輔助拋光、激光拋光等[33-34]，例如Yamamura等[35]使用等離子體輔助拋光獲得了粗糙度Sq 0.13 nm 的單晶金剛石片，楊志亮等[36]使用機械研磨拋光，得到了粗糙度0.27 nm、彎曲度13.84 μm 的3 英寸多晶金剛石片，但是成本都比較高。根據鍵合層處理方法與材料的不同，目前常用的鍵合技術有表面活化鍵合、親水鍵合、原子擴散鍵合、水解輔助固化鍵合等。

2.1.1 金剛石/GaN 表面活化鍵合技術

表面活化鍵合通常使用Si、SiC 等能與金剛石形成穩定化學鍵的非金屬材料作為鍵合層，基本流程如圖2 所示，首先通過粘片工藝將GaN 固定到載片上，之后去除原始襯底，在待鍵合面沉積鍵合層或使用離子束活化待鍵合表面，最后將鍵合表面貼合并加壓完成鍵合。由于需要保持待鍵合表面活性，避免氧化或污染，沉積鍵合層或離子束活化表面步驟與鍵合步驟需要在高真空度環境（~5×10-6 Pa）中進行，對設備條件要求很高。

由于鍵合層通常是非晶態材料，熱導率較低，Cheng 等[37]為了探究鍵合層厚度對界面熱導的影響，制備了不同鍵合層厚度的金剛石/GaN 結構，分別為13 nm 和4.2 nm，并使用時域熱反射技術測量界面熱導，分別為53 MW·m-2·K-1 和92 MW·m-2·K-1，可以看出，鍵合層厚度與熱導率有強相關性，減小鍵合層厚度對整體熱阻的控制十分重要。

為了減小鍵合層厚度或使鍵合層轉變成晶態材料，有研究人員使用高溫退火的方式，使鍵合層發生擴散、化學反應等。Kagawa 等[38-39] 使用Si作為中間層， 制備了AlGaN/GaN/3C-SiC/金剛石結構，在800℃退火后，形成歐姆接觸，鍵合結構穩定，得到完整GaN HEMT 器件。如圖3 所示，在1100℃退火后，鍵合層中Si和C 原子發生再結晶生成SiC，厚度從退火前的15.5 nm 減小到7.4 nm，且在高溫退火過程中鍵合層拉應力也有所減小。在VGS=2 V，VDS=20 V 時，相比于Si 和SiC 襯底，使用金剛石襯底的器件最高溫度分別降低57%和43%，器件電性能也有所提高。Liang等[40]報道了僅通過Ar 離子束照射金剛石和GaN 表面，不使用其它材料作為鍵合層的方法制備了金剛石/GaN 結構，其中有5.3 nm 厚的非晶碳中間層。在700℃、1000℃退火后非晶碳中間層厚度分別減小到2.3 nm和1.5 nm，在其中觀察到晶格條紋，部分轉化為金剛石。這些研究都表明通過優化退火工藝可以減小甚至完全去除鍵合層，且鍵合結構穩定。

為了進一步減小鍵合層厚度，Matsumae 等[41]優化工藝，使用Ar 離子束照射Si靶，在金剛石上沉積1 nm 厚的Si 層，GaN 表面使用Ar 離子束轟擊活化，在4.4MPa 的壓力下與GaN 成功鍵合，鍵合層厚度僅1.5 nm，剪切強度4.5 MPa，如圖4 所示。推測界面熱阻小于10 m2·K·GW-1。相比Liang 等[40]的工藝，這個工藝沒有高溫退火的過程，減小了對GaN層的損傷。

金剛石表面粗糙度控制對鍵合成功率也十分重要，但是由于金剛石的高硬度、高化學

惰性，將其加工到0.5 nm 以下成本很高，有研究人員發現在沉積鍵合層的過程中，可以降低金剛石鍵合面粗糙度。Kobayashi 等[42]使用射頻磁控濺射在金剛石鍵合面沉積15 nm SiC層，使金剛石鍵合面粗糙度由0.768 nm 降低到0.365 nm，而后在表面活化鍵合設備中室溫鍵合，成功制備了金剛石/GaN 結構，鍵合面積85%，鍵合層厚度11 nm，其中3.7nm 為缺陷金剛石層，7 nm 為非晶SiC 層。在1000℃退火后，由于硅與碳原子反應生成SiC，SiC層厚度略有增加，非晶SiC 層在退火工藝之后變成多晶。結果表明，SiC 層的沉積可以降低金剛石表面的粗糙度，并有利于多晶金剛石與異種材料的室溫結合，通過退火工藝，還可以將低熱導率的非晶SiC 轉變成高熱導率的多晶SiC。

目前的研究大多處于小尺寸探索階段，針對大面積鍵合的工藝優化和實驗驗證，廖龍忠等[43]使用納米級氧化硅作為鍵合層，使用優化的鍵合工藝，成功實現了4 英寸金剛石與GaN 的鍵合，如圖5 所示。所制備的金剛石/GaN 器件熱阻較轉移前降低了39.5%，在6.5 W總耗散功率下其結溫降低了33.77℃，電氣性能經測試也有提高。實現了大尺寸金剛石與GaN 的鍵合，驗證了大尺寸鍵合的可行性，為產業化提供了依據。

2.1.2 金剛石/GaN 親水鍵合技術

親水鍵合是在金剛石和GaN 表面生成OH端，通過OH 端之間的反應實現金剛石與GaN 的鍵合，目前已廣泛應用于金剛石與Si、SiO2、InP，InGaP，Ga2O3 等材料的鍵合[44-47]。Matsumae 等[48]使用NH4OH/H2O2混合溶液在70℃下處理金剛石，使用HCl 溶液在70℃下處理GaN，在金剛石和GaN 表面成功生成了OH 端，后將金剛石與GaN 在1MPa 的壓力下200℃處理2 小時，成功得到金剛石/GaN 結構，如圖6 所示。剪切強度8.19MPa，有3nm 由sp2-C、Ga 和O 組成的鍵合層。親水鍵合的方法相對于表面活化鍵合，步驟簡單，對設備要求低，但是OH 端反應產物包括大量高溫水分子，在大尺寸鍵合過程中可能無法及時逸出，影響鍵合效果，且據Sumiya 等[49]報道，高溫水蒸氣會對GaN 產生不利影響。

2.1.3 金剛石/GaN 原子擴散鍵合技術

原子擴散鍵合技術使用Au、Mo、Ag、Cu 等金屬材料作為鍵合層，利用金屬原子在溫度和壓力下的擴散實現鍵合，已經應用于金剛石與Si、GaN 與Si 的鍵合[50-51]。Wang 等[52]在單晶金剛石、多晶金剛石和GaN 上沉積5 nm Mo 層和11nm Au 層，在室溫下加載2000N 的載荷完成鍵合，制作了單晶金剛石/GaN 和多晶金剛石/GaN 兩個樣品。單晶金剛石與GaN 完全鍵合，在680 N 的拉力下，樣品從Au-Au 鍵合層斷裂。多晶金剛石鍵合面積98.5%，經過45℃到125℃的1000 次熱循環后，鍵合面積降低到73%，如圖7 所示。使用原子擴散鍵合成功制備了金剛石/GaN 結構，但是由于金屬材料與金剛石和GaN 之間熱膨脹系數失配很大，導致其熱穩定性較差，且并未報道金屬鍵合層厚度、熱導率以及金屬層對GaN器件電氣性能的影響。

2.1.4 金剛石/GaN 水解輔助固化鍵合技術

水解輔助固化鍵合是一種利用中間層發生化學反應來進行鍵合的方法。Gerrer 等[53]在Si 基AlN/AlGaN/GaN上黏貼一塊650 μm 厚的藍寶石，而后放入HNO3/HF 混合溶液中去除Si 層，后在去離子水中將AlN/AlGaN/GaN 的AlN 面與金剛石接觸，旋轉去除接觸面多余的水，放入真空爐中在200℃完成鍵合，去除藍寶石片后得到金剛石/AlGaN/GaN 結構。在鍵合過程中，鍵合層是通過AlN 與水在40℃以上溫度反應形成的，生成物為Al(OH)3和AlO(OH)，鍵合層厚度30 nm，如圖8 所示。整個工藝流程都是在液體中進行的，工藝簡單，對金剛石粗糙度要求較低，但是鍵合層材料導熱率極低，且厚度難以控制，導致其熱阻高，據Fatimah 等[54]報道Al 的氫氧化合物可以在高溫下分解成熱導率更高的Al2O3，后續可以開發其它高熱導率的鍵合層材料或通過高溫退火等方法提高鍵合層熱導率。

2.2 金剛石異質外延GaN 技術

另一種金剛石襯底散熱技術是異質外延技術，由于金剛石是立方晶體結構，不同于GaN 的纖鋅礦晶體結構，GaN 和金剛石之間存在很大的晶格失配和熱膨脹系數失配，如表1 所示，給異質外延技術帶來了許多難題，如何有效控制應力以及生長的晶體質量都是其中的關鍵問題。按照外延層的區別可以分為GaN 異質外延金剛石技術和金剛石異質外延GaN 技術。GaN 異質外延金剛石技術，是在去除GaN 原襯底及部分緩沖層后，先在GaN背面沉積一層介電層用于保護GaN，而后再沉積金剛石層；金剛石異質外延GaN 技術，是在金剛石上直接使用分子束外延（MBE）、MOCVD 等方法沉積GaN 層。目前研究使用較多的異質外延技術是GaN 異質外延金剛石技術。

GaN 異質外延金剛石技術相比鍵合技術，界面結合強度高，成本較低，但是也存在一些問題，如異質外延金剛石的形核層質量差、熱導率低，金剛石的生長環境通常都是高溫、高氫等離子體密度，GaN 在高溫冷卻到室溫的過程中會發生翹曲甚至破裂，在氫等離子體環境中會發生嚴重的刻蝕、分解[55-59]。因此需要在GaN 表面先制備一層保護層，緩解熱應力，同時保護GaN 不受刻蝕。技術基本流程如圖9 所示。

Field 等[60]研究了保護層對金剛石/GaN 結構的影響，比較了具有SiC 保護層和沒有保護層的兩種樣品的形貌特征和熱導率。從結果來看，沒有保護層的樣品結合面粗糙，GaN被刻蝕，結合強度低，界面熱阻高（107±44 m2·K·GW-1），具有SiC 保護層的樣品結合面平整光滑，有較低的界面熱阻（30±5 m2·K·GW-1），認為是SiC 保護層與金剛石有更強的結合力，相比于直接在AlGaN 上沉積金剛石，SiC 與金剛石之間形成了更多的碳化物鍵，有助于界面的聲子傳熱，改善了熱傳輸。

由于保護層的材料和厚度都對熱阻有很大影響，很多研究人員對此展開了研究。Yates等[61]研究了沒有保護層、具有5 nm 厚SiN 保護層、具有5 nm 厚AlN 保護層的金剛石/GaN結構的界面熱阻，在沒有保護層和具有5 nm 厚AlN 保護層的樣品中，發現GaN 被刻蝕，導致界面粗糙，使樣品的界面熱阻增加，界面熱阻分別為41.4 +14.0/-12.3 m2·K·GW-1、18.2+1.5/-3.6 m2·K·GW-1，而且在沒有保護層的樣品中，金剛石與GaN 之間發生了分層。在具有5 nm 厚SiN 保護層的樣品中，金剛石與GaN 結合界面清晰，平整光滑，GaN 層完整，沒有受到刻蝕，界面熱阻最低，為9.5 +3.8/-1.7 m2·K·GW-1。

金剛石異質外延工藝對所制備金剛石層的質量有很大影響，金剛石形核層由于晶粒較小，晶界多，導致其熱導率低，如何提高金剛石形核層熱導率也是一個問題。Malakoutian等[62]使用快速形核的方法，減小形核層厚度，降低界面熱阻。他們使用MOCVD 法在GaN表面沉積5 nmSi3N4 作保護層，而后使用聚合物輔助浸晶技術，使氧終端金剛石顆粒呈-50mv zeta 電位，Si3N4 層表面呈+50 mv zeta 電位，由于金剛石顆粒與Si3N4 層表面巨大的電位差，可以實現金剛石顆粒的高密度播種，最終播種密度大于1012cm-2。而后放入微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）裝置中，金剛石在低溫度（~700℃）、低功率（600 W）、低腔壓（20 Torr）、高甲烷濃度（5%）中10分鐘快速形核，形核層厚度僅25-30 nm。形完成后迅速提高功率（1800 W）和腔壓（70 Torr），降低甲烷濃度，金剛石生長完成后在氫等離子體環境中緩慢冷卻至室溫。他們使用這種方法成功制備了金剛石/GaN 結構，如圖10 所示。其中保護層的厚度由最初的5 nm 降至僅1 nm，其中1 nm 的Si3N4 層被氫等離子體刻蝕，還有3 nm 轉化為熱導率更高的SiC，極大地降低了界面熱阻（3.1±0.7m2·K·GW-1）。

對于異質外延金剛石的形核層質量差、熱導率低的問題，Smith 等[63]也提出了一種混合金剛石晶粒播種的方法，他們使用MOCVD 分別制備了Si 基GaN 和Si 基AlN 兩個樣品，在兩個樣品上使用靜電噴霧法分兩步播種微米金剛石（2±1 μm）和納米金剛石（3.3±0.6nm），然后使用微波等離子體增強化學氣相沉積法（MWCVD）生長了厚金剛石層。發現在Si 基GaN 上金剛石和GaN 大部分在冷卻時分層，未分層的樣品在結合面也有大的間隙或裂紋，而在Si 基AlN 上金剛石和AlN 結合良好，熱面熱阻低（1.47±0.35 m2·K·GW-1），遠小于僅使用納米金剛石引晶生長的界面熱阻（67±58 m2·K·GW-1）。這種方法制備的金剛石形核層大部分為微米金剛石，納米金剛石填充了微米金剛石之間的空隙，大幅減小了金剛石形核層熱阻，但是沒有使用該方法制備GaN/AlN/金剛石結構樣品。

金剛石在GaN 上異質外延的過程中，通常是在700~1000℃的高溫環境中[64]，由于金剛石與GaN 材料之間存在大的熱膨脹系數失配，在金剛石生長完成冷卻下來后，在金剛石與GaN 之間會存在1 GPa 左右的應力。Jia 等[65]針對熱應力的問題，提出了一種GaN 兩側生長金剛石的方法，首先在GaN 上層沉積2 μm 厚Si 層，然后在Si 層上低溫、高甲烷濃度沉積低質量犧牲層金剛石，GaN 下層先去除原襯底、沉積SiN 保護層，再沉積高質量金剛石作為散熱層。如圖11 所示，制備了金剛石-GaN-金剛石結構，犧牲層金剛石和散熱層金剛石共同分擔了GaN 收縮帶來的應力，在經過退火、去除Si 層和犧牲層金剛石后，GaN/金剛石結構的GaN 層有0.5 GPa 的張應力，GaN轉移過程產生的應力得到有效緩解。

2.3 GaN 異質外延金剛石技術

2.3.1 金剛石鈍化層散熱技術

金剛石鈍化散熱技術，是一種利用金剛石薄膜替換原有源區的傳統鈍化層SiNx 的技術，使用金剛石包覆器件層，可以顯著提高器件的性能。相比其他技術，這項技術的優勢在于金剛石層與熱源接近，散熱效率更高，但是存在金剛石層生長工藝與GaN 器件層工藝的兼容性問題。

金剛石鈍化層通常使用異質外延的方法制備，如MPCVD、HFCVD 等，這些方法都需要高溫、富氫等離子體的條件，GaN 會發生嚴重的刻蝕、分解，為了解決這個問題，通常在GaN 器件層上沉積保護層用于保護GaN，且由于金剛石和GaN 之間大的熱膨脹失配，需要在低溫環境中沉積金剛石鈍化層，減小應力。例如Yaita 等[66]在沉積金剛石鈍化層之前，先沉積40 nm 厚SiNx 層，然后在700℃的溫度下沉積了2.5 μm 厚金剛石鈍化層，由于沉積溫度較低，金剛石層熱導率僅為200 W·m-1·K-1，但是GaN 器件的熱阻也從12.7mm·K·W-1 降低到7.4 mm·K·W-1，降幅達到了41.7%。國內南京電子器件研究所Guo 等[67]進一步優化工藝，采用柵前金剛石的方法，使用三步金剛石刻蝕技術和20 nm SiN 保護層，成功在GaN HEMTs 器件的頂端制備了500 nm 厚的金剛石鈍化散熱層，其結構示意圖如圖12 所示。經測試，金剛石/GaN HEMTs 的熱阻比傳統SiN/GaN HEMTs 低21.4%，截止頻率為34.6 GHz，比SiN/GaN HEMTs 提高了1.8%，尤其是電流電壓(VGS=1 V)和小信號增益（10 GHz）分別提高了27.9%和36.7%。金剛石鈍化散熱技術具有很好的應用前景，但是制備過程需要高精度的加工工藝，同時，由于金剛石膜沉積溫度低，導致其晶體質量不高，無法發揮金剛石導熱率高的優勢，在實際應用中還需要進一步研究和改進。

2.3.2 金剛石襯底外延技術

隨著金剛石制備技術不斷發展和完善，金剛石襯底異質外延GaN 技術也被用于改善散熱需求，和金剛石襯底異質外延GaN 技術一樣，也存在熱膨脹系數失配和晶格失配的問題，會使GaN 外延層發生剝離或破裂，需要使用額外的緩沖層緩解失配。同時金剛石襯底質量對GaN 外延層質量也有很大影響，現在常用(111)單晶金剛石作為襯底，但是成本昂貴[68-71]。Pantle 等[72]研究了單晶金剛石取向和緩沖層對GaN 質量的影響，在(111)單晶金剛石、(001)單晶金剛石和具有AlN 緩沖層的(001)單晶金剛石上使用MBE 工藝選擇性沉積了GaN 納米線，GaN 納米線結構如圖13所示，在(111)金剛石上生長的GaN 納米線具有一致的形貌，在(001)金剛石上生長的GaN 納米線有多重形核和聚結。在具有AlN 緩沖層的(001)金剛石上生長的GaN納米線有最一致的形貌，表面光滑，生長偏轉角度小，且缺陷最少。Xu 等[73]在多晶金剛石上使用MOCVD 工藝生長了GaN 薄膜，發現在具有2.5 nm h-BN 插入層和1000℃低溫AlN 層時GaN 層晶體質量最好，相比沒有h-BN 插入層的GaN 層，其表面光滑，(002)搖擺曲線的半峰全寬從4.67°降低到1.98°。

Ahmed 等[74-75]結合了GaN 異質外延金剛石技術和金剛石異質外延GaN 技術，工藝步驟如圖14 所示，在GaN 表面使用PECVD沉積一層SiNx 保護層，而后使用納米金剛石顆粒和光刻工藝相結合的方法，經過納米金剛石加光刻膠旋涂、UV 曝光、顯影、干燥和刻蝕過程，在SiNx 保護層上選擇性的沉積多晶金剛石層，刻蝕掉未被金剛石覆蓋的SiNx 保護層部分，暴露出GaN 層，之后在暴露的GaN 和金剛石上層使用優化的MOCVD 工藝橫向外延過生長GaN 層，再生長GaN 層質量比原始GaN有更好的結晶度和更低的缺陷密度，但是由于金剛石與GaN 熱膨脹系數失配較大，以及多晶金剛石的粗糙表面(RMS>30 nm)，在金剛石與GaN 之間出現了圖15 所示的孔隙和空洞，進一步降低金剛石表面粗糙度也許可以獲得完全結合的界面。

3.總結與展望

本文對近年來金剛石和GaN 集成技術的研究現狀進行了詳細的綜述。GaN 功率器件的高功率密度優勢受制于其襯底材料的低導熱率而無法完全發揮，使用高導熱率的金剛石作為器件的鈍化層和襯底層，可以大幅度降低器件熱點溫度，提高器件功率密度。對于各種金剛石與GaN 的集成技術，優缺點以及可能的改進方法可以總結為以下幾點：

（1）鍵合技術的優勢在于鍵合溫度普遍較低，鍵合后金剛石與GaN 之間熱應力小，對GaN 層的熱損傷小，缺點在于鍵合層質量、厚度難以控制導致鍵合層熱阻高，且大尺寸、低粗糙度、低彎曲度的金剛石獲取成本高，可以從鍵合后處理工藝以及鍵合設備開發入手，還需要優化金剛石精密拋光工藝，探索新型金剛石表面處理技術；

（2）GaN 異質外延金剛石技術優勢在于金剛石與GaN 結合強度高，結合均勻性好，但是由于金剛石與GaN 之間的熱膨脹失配和晶格失配，冷卻后金剛石與GaN 之間熱應力大，可能導致分層或外延層開裂，還存在保護層、金剛石形核層熱阻高的問題，可以從金剛石低溫沉積以及提高形核層晶粒尺寸、減小形核層厚度入手，同時探索新型保護層材料和保護層制備工藝；

（3）金剛石異質外延GaN 技術優勢在于可以使用大尺寸高導熱率金剛石作為散熱層襯底，但是也存在熱膨脹失配和晶格失配的問題，同時緩沖層熱阻高，可以從開發新型緩沖層或多層緩沖層入手，以減小熱應力和緩解晶格失配。

總的來說，目前的金剛石與GaN 集成技術已經大大提升了GaN 的實際應用功率密度，但是仍有許多問題亟需解決。目前的研究大多是對器件層或襯底層單獨的研究，將其高效的結合起來，金剛石用于GaN 功率器件的三維散熱，將大幅度降低器件溫度，有望在未來完全發揮GaN 的高功率密度高頻率優勢。

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