随着氮化镓(GaN)基功率器件功率越来越高,器件的“自热效应”愈加明显,对高频高功率电子器件散热提出了迫切需求。采用CVD金刚石代替传统衬底材料可以有效满足高频高功率器件散热需求,有效提升器件性能、器件寿命与可靠性。但GaN外延层沉积金刚石膜存在GaN外延层稳定性差、热失配大及应力累积导致外延层开裂等技术难题。此外,影响GaN/金刚石界面热传输的科学问题尚未明确,限制了金刚石衬底GaN基功率器件的进一步发展。本文研究在高温氢等离子体环境中GaN/保护层表面上进行金刚石的稳定形核与生长,基于静电增强自吸附效应及双金刚石层方法制备了低应力金刚石/GaN复合结构材料,研究了影响GaN与金刚石界面热传输机制,测量了金刚石/GaN的界面热阻。研究了高温氢等离子体对GaN外延层诱导分解机制及抑制分解途径,氢等离子体和温度分别是GaN分解的诱因和驱动力,因此,高温氢等离子体环境中GaN外延层的稳定性极差,在GaN表面添加保护层和提高氢等离子体中氮分压能有效抑制氢等离子体渗透,采用磁控溅射技术沉积低粗糙度致密无孔洞的非晶态SiNx和AlN保护层。研究了微波化学气相沉积方法在GaN/保护层表面沉积金刚石膜的规律,以甲烷浓度12%,沉积温度800℃时能够形成致密金刚石膜进一步抗氢等离子体渗透,基于GaN/保护层与纳米金刚石粉的静电增强自吸附效应,实现了纳米金刚石粒子高密度分散在衬底上,最终在GaN/保护层表面快速获得高度致密金刚石形核层,有效提升界面结合强度和金刚石形核层质量。根据界面热传输理论探究了界面微观结构和声子态密度失配度及保护层材料与界面热传输的相关性,提出了保护层材料选择与界面处声子态密度匹配度是影响界面热传输的重要因素,提高保护层粗糙度可以增加界面有效接触面积,实现界面热传输能力进一步提升,获得GaN/金刚石界面热阻为35.5±5.2m2K/GW。提出一种双金刚石层制备金刚石衬底GaN晶圆的方法,成功制备了低应力低界面热阻的GaN/金刚石结构,且GaN外延层转移前后晶体质量未见明显降低。霍尔测试结果显示,采用两步法金刚石工艺参数:形核阶段,甲烷浓度为12%,形核温度为800℃,形核5min后,生长阶段以甲烷浓度为5%,沉积温度为850℃时,金刚石衬底GaN外延层电子迁移率衰减最少,衰减约14%。