氮化鎵（GaN）晶體管在工作過程中產生的熱量和由此引起的溫升會導致性能下降并縮短器件的壽命，因此亟需開發有效的散熱方法。金剛石具有極高的導熱率，有望作為半導體元件的散熱材料得到實際應用。然而，由于元件和金剛石難以結合等問題，其散熱性能尚未達到預期水平，這種材料尚未大量投入實用。

近日，日本大阪公立大學（OMU）和東北大學（Tohoku University）金屬材料研究所聯合宣布，他們使用在所有材料中熱導率最高的金剛石作為基板，成功在金剛石上制造出了氮化鎵晶體管，與在碳化硅（SiC）基板上制造的相同形狀的晶體管相比，散熱性能提高了 2.3 倍。

圖1：在金剛石襯底上制造氮化鎵晶體管

在這項研究中，研究團隊首先在硅襯底上制作了一個 3 μm 厚的氮化鎵層和一個 1 μm 厚的 3C-SiC 緩沖層（3C-SiC，立方晶系中的一種），然后從硅襯底上剝離這兩層，接著用 "表面活性鍵合法 "將其鍵合在金剛石襯底上，最后得到一個尺寸約為 1 英寸（2.5 cm ）的氮化鎵晶體管。研究小組稱，由于使用了高質量的碳化硅薄膜，因此即使在 1100°C 的高溫下進行熱處理，也不會在結界面上出現薄膜分層現象，從而獲得高質量的異質結界面。

圖2：(a) AlGaN/GaN/3C-SiC 層/金剛石結樣品。(b) 在金剛石上制造的 GaN 晶體管的光學顯微鏡圖像。(c) 3C-SiC/金剛石結界面的橫截面透射電子顯微鏡圖像。(d) 本研究中在金剛石襯底上制作的氮化鎵晶體管與先前研究中在金剛石上制作的氮化鎵晶體管的增強散熱性能比較

接下來，研究團隊用在碳化硅襯底上制造的相同形狀的晶體管進行了比較，以驗證用相同方法在金剛石襯底上制造的氮化鎵晶體管的散熱情況。結果證實，在金剛石襯底上的晶體管的散熱能力比在碳化硅襯底上的晶體管提高大約 2.3 倍。此外，他們實驗得到的金剛石襯底上的晶體管比之前其他研究中在金剛石襯底上制作的晶體管實現了更好的散熱效果，晶體管的特性也得到了顯著改善。

圖3：硅、碳化硅和金剛石晶體管的散熱性能比較（在相同的功率下，溫升越小，散熱性能越好）。

這項研究大大改善了氮化鎵功率器件的散熱和最大功率輸出。這將有利于縮小系統規模，簡化冷卻機制，大幅減少能源消耗。研究團隊表示，未來利用金剛石襯底實現大面積氮化鎵晶體管，有望擴大高功率半導體元件在 5G 通信基站、氣象雷達和衛星通信等領域的應用范圍。

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