南京电子器件研究所（中国电科碳基电子重点实验室）、北京科技大学新材料技术研究院和中国科学院微电子研究所（高频高压器件及集成电路研发中心）在《人工晶体学报》发表研究成果，提出利用薄AlN介质层在GaN表面生长高质量纳米晶金刚石钝化膜，为GaN功率器件近结散热提供新方案。
研究内容
GaN器件在高频、高功率运行时容易出现明显自热。金刚石具有极高的热导率，将其直接集成在GaN表面，有望更快导出热量。但金刚石生长所需的等离子体环境可能损伤GaN，介质层也可能引入额外界面热阻。研究团队首先在GaN表面原子层沉积10 nm AlN介质层，再采用氧终端纳米金刚石静电播种和梯度甲烷MPCVD工艺，生长约120 nm纳米晶金刚石薄膜。
TDTR设备的作用
研究采用AUTINST（昊远精测）Pioneer-ONE TDTR系统，同时测量超薄金刚石膜热导率和金刚石/AlN/GaN结构的有效界面热阻。系统以1064 nm飞秒激光为光源，由倍频模块产生532 nm泵浦脉冲加热样品，并使用1064 nm探测脉冲记录反射率变化，再通过多层传热模型提取未知热物性。针对Al/NCD/AlN/GaN/SiC多层结构，研究还采用独立Al/GaN/SiC样品标定GaN热导率，并开展灵敏度与不确定度分析。Al层厚度通过TEM测量并由Pioneer-ONE TDTR系统声学回波验证，终界面热导参数的总体不确定度约为2.8%。
研究成果
Pioneer-ONE TDTR系统测得约120 nm纳米晶金刚石膜的热导率为123.85 W/(m·K)，达到其他研究中更厚金刚石薄膜的相近水平；GaN与金刚石之间的有效界面热阻为(9.78±0.27) m²·K/GW。其他表征显示，所得薄膜具有较高结晶度、15.2 nm表面粗糙度和0.84 GPa残余应力。TEM进一步证明，AlN介质层能够保护GaN免受等离子体刻蚀，并形成较平滑的界面。
结论与设备价值
研究验证了“ALD AlN保护层+静电播种+梯度甲烷沉积”方案兼顾薄膜质量和界面传热的可行性。Pioneer-ONE TDTR系统在同一多层结构中分别解析薄膜热导率与有效界面热阻，为介质层厚度、金刚石生长工艺及GaN器件热设计提供了关键量化依据。
