GaN作为第三代半导体材料的典型代表，在禁带宽度、击穿场强、电子迁移率、热导率、最高工作温度等关键性能上更具优势。GaN功率器件拥有高转换效率、低导通损耗、高工作频率、大带宽以及高功率密度，已广泛应用于通信、雷达、卫星、电力电子等领域。随着器件向更小尺寸、更大功率和更高频率的方向发展，器件结区尺寸减小，热流密度大幅度增加，导致结温急剧升高，严重限制了功率密度的进一步提升，甚至可导致器件的烧毁，表现为现MMIC和PA在进行大功率输出时功率密度显著降低。以超高热导率的金刚石材料作为热沉，可有效地改善GaN基高功率电子器件的自热效应。然而，键合技术会不可避免地在两种晶圆界面处产生热阻较高的无定形中间层，影响散热，无法完全发挥金刚石在热管理领域的巨大潜力。利用高导热AlN超晶格直接在（111）面单晶金刚石上外延生长GaN HEMT结构可有效避免高热阻中间层的产生，将金刚石散热能力最大化，成倍提升器件功率密度。因此，研发大面积、高质量单晶（111）金刚石衬底的研制就显得迫在眉睫。
西安交大王宏兴教授团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，首次在Ir（111）/蓝宝石表面实现单晶金刚石（111）面的外延生长，并成功实现20×20 mm2（111）取向的异质外延单晶金刚石自支撑衬底。通过SEM、XRD以及EBSD表征，XRD（111）摇摆曲线半峰宽小于0.6°，证明金刚石（111）具有良好的单晶特征，达到世界领先水平。
图1 单晶金刚石(111)面SEM形貌表征以及EBSD表征
图1显示金刚石（111）单晶薄膜在Ir（111）/蓝宝石表面随外延生长时间的表面形貌，图1（a）中可以看出，外延生长1小时后，形成了密集的六方结构单晶金刚石（111）连续薄膜。随着外延生长的时间增加，六方结构的表面逐渐闭合成连续平整的薄膜，如图1（b）所示。外延生长10小时后，形成了平坦的单晶金刚石（111）表面，如图1（c）。图1（d）为金刚石（111）表面的EBSD测试图谱，结果显示金刚石（111）面的晶向具有良好的均匀性。
图2 金刚石(111)面的极图，证明金刚石(111)面薄膜具有良好的单晶特征
图3 单晶金刚石XRD曲线（a）20°-125° 2θ曲线（b）金刚石（111）面摇摆曲线
图3（a）展示了（111）面单晶金刚石的XRD测试结果，，在20-125°的扫描范围内只存在氧化铝衬底，Ir（111）以及金刚石(111)峰，插图为经过长时间生长后得到的20×20×0.5 mm的金刚石(111)自支撑衬底。图3（b）显示金刚石（111）面摇摆曲线半高宽为0.6°，证明金刚石(111)面具有良好的单晶特征。
西安交通大学宽禁带半导体材料与器件研究中心于2013年建立，实验室主任为国家级特聘专家王宏兴教授。实验室经过近10年的发展，已形成具有自主知识产权的金刚石半导体外延设备研发、单晶/多晶衬底生长、电子器件研制等系列技术，已获授权48项专利，与国内相关大型通信公司，中国电科等相关研究所均开展了金刚石半导体材料与器件的广泛合作，促进了金刚石射频功率器件、电力电子器件、MEMS等器件的实用性发展。
