GaN作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表，在禁帶寬度、擊穿場(chǎng)強(qiáng)、電子遷移率、熱導(dǎo)率、最高工作溫度等關(guān)鍵性能上更具優(yōu)勢(shì)。GaN功率器件擁有高轉(zhuǎn)換效率、低導(dǎo)通損耗、高工作頻率、大帶寬以及高功率密度，已廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)、衛(wèi)星、電力電子等領(lǐng)域。隨著器件向更小尺寸、更大功率和更高頻率的方向發(fā)展，器件結(jié)區(qū)尺寸減小，熱流密度大幅度增加，導(dǎo)致結(jié)溫急劇升高，嚴(yán)重限制了功率密度的進(jìn)一步提升，甚至可導(dǎo)致器件的燒毀，表現(xiàn)為現(xiàn)MMIC和PA在進(jìn)行大功率輸出時(shí)功率密度顯著降低。以超高熱導(dǎo)率的金剛石材料作為熱沉，可有效地改善GaN基高功率電子器件的自熱效應(yīng)。然而，鍵合技術(shù)會(huì)不可避免地在兩種晶圓界面處產(chǎn)生熱阻較高的無定形中間層，影響散熱，無法完全發(fā)揮金剛石在熱管理領(lǐng)域的巨大潛力。利用高導(dǎo)熱AlN超晶格直接在（111）面單晶金剛石上外延生長(zhǎng)GaN HEMT結(jié)構(gòu)可有效避免高熱阻中間層的產(chǎn)生，將金剛石散熱能力最大化，成倍提升器件功率密度。因此，研發(fā)大面積、高質(zhì)量單晶（111）金剛石襯底的研制就顯得迫在眉睫。

西安交大王宏興教授團(tuán)隊(duì)采用微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)，首次在Ir（111）/藍(lán)寶石表面實(shí)現(xiàn)單晶金剛石（111）面的外延生長(zhǎng)，并成功實(shí)現(xiàn)20×20 mm2（111）取向的異質(zhì)外延單晶金剛石自支撐襯底。通過SEM、XRD以及EBSD表征，XRD（111）搖擺曲線半峰寬小于0.6°，證明金剛石（111）具有良好的單晶特征，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

圖1 單晶金剛石(111)面SEM形貌表征以及EBSD表征

圖1顯示金剛石（111）單晶薄膜在Ir（111）/藍(lán)寶石表面隨外延生長(zhǎng)時(shí)間的表面形貌，圖1（a）中可以看出，外延生長(zhǎng)1小時(shí)后，形成了密集的六方結(jié)構(gòu)單晶金剛石（111）連續(xù)薄膜。隨著外延生長(zhǎng)的時(shí)間增加，六方結(jié)構(gòu)的表面逐漸閉合成連續(xù)平整的薄膜，如圖1（b）所示。外延生長(zhǎng)10小時(shí)后，形成了平坦的單晶金剛石（111）表面，如圖1（c）。圖1（d）為金剛石（111）表面的EBSD測(cè)試圖譜，結(jié)果顯示金剛石（111）面的晶向具有良好的均勻性。

圖2 金剛石(111)面的極圖，證明金剛石(111)面薄膜具有良好的單晶特征

圖3 單晶金剛石XRD曲線（a）20°-125° 2θ曲線（b）金剛石（111）面搖擺曲線

圖3（a）展示了（111）面單晶金剛石的XRD測(cè)試結(jié)果，，在20-125°的掃描范圍內(nèi)只存在氧化鋁襯底，Ir（111）以及金剛石(111)峰，插圖為經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間生長(zhǎng)后得到的20×20×0.5 mm的金剛石(111)自支撐襯底。圖3（b）顯示金剛石（111）面搖擺曲線半高寬為0.6°，證明金剛石(111)面具有良好的單晶特征。

西安交通大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件研究中心于2013年建立，實(shí)驗(yàn)室主任為國(guó)家級(jí)特聘專家王宏興教授。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近10年的發(fā)展，已形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的金剛石半導(dǎo)體外延設(shè)備研發(fā)、單晶/多晶襯底生長(zhǎng)、電子器件研制等系列技術(shù)，已獲授權(quán)48項(xiàng)專利，與國(guó)內(nèi)相關(guān)大型通信公司，中國(guó)電科等相關(guān)研究所均開展了金剛石半導(dǎo)體材料與器件的廣泛合作，促進(jìn)了金剛石射頻功率器件、電力電子器件、MEMS等器件的實(shí)用性發(fā)展。