氮化镓（GaN）晶体管在工作过程中产生的热量和由此引起的温升会导致性能下降并缩短器件的寿命，因此亟需开发有效的散热方法。金刚石具有极高的导热率，有望作为半导体元件的散热材料得到实际应用。然而，由于元件和金刚石难以结合等问题，其散热性能尚未达到预期水平，这种材料尚未大量投入实用。
近日，日本大阪公立大学（OMU）和东北大学（Tohoku University）金属材料研究所联合宣布，他们使用在所有材料中热导率最高的金刚石作为基板，成功在金刚石上制造出了氮化镓晶体管，与在碳化硅（SiC）基板上制造的相同形状的晶体管相比，散热性能提高了 2.3 倍。
图1：在金刚石衬底上制造氮化镓晶体管
在这项研究中，研究团队首先在硅衬底上制作了一个 3 μm 厚的氮化镓层和一个 1 μm 厚的 3C-SiC 缓冲层（3C-SiC，立方晶系中的一种），然后从硅衬底上剥离这两层，接着用 "表面活性键合法 "将其键合在金刚石衬底上，最后得到一个尺寸约为 1 英寸（2.5 cm ）的氮化镓晶体管。研究小组称，由于使用了高质量的碳化硅薄膜，因此即使在 1100°C 的高温下进行热处理，也不会在结界面上出现薄膜分层现象，从而获得高质量的异质结界面。
图2：(a) AlGaN/GaN/3C-SiC 层/金刚石结样品。(b) 在金刚石上制造的 GaN 晶体管的光学显微镜图像。(c) 3C-SiC/金刚石结界面的横截面透射电子显微镜图像。(d) 本研究中在金刚石衬底上制作的氮化镓晶体管与先前研究中在金刚石上制作的氮化镓晶体管的增强散热性能比较
接下来，研究团队用在碳化硅衬底上制造的相同形状的晶体管进行了比较，以验证用相同方法在金刚石衬底上制造的氮化镓晶体管的散热情况。结果证实，在金刚石衬底上的晶体管的散热能力比在碳化硅衬底上的晶体管提高大约 2.3 倍。此外，他们实验得到的金刚石衬底上的晶体管比之前其他研究中在金刚石衬底上制作的晶体管实现了更好的散热效果，晶体管的特性也得到了显著改善。
图3：硅、碳化硅和金刚石晶体管的散热性能比较（在相同的功率下，温升越小，散热性能越好）。
这项研究大大改善了氮化镓功率器件的散热和最大功率输出。这将有利于缩小系统规模，简化冷却机制，大幅减少能源消耗。研究团队表示，未来利用金刚石衬底实现大面积氮化镓晶体管，有望扩大高功率半导体元件在 5G 通信基站、气象雷达和卫星通信等领域的应用范围。
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