2023年12月1日，大阪公立大学和东北大学宣布，两所大学的研究小组和其他研究小组利用金刚石作为基板制造出了氮化镓（GaN）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，成功地将散热量提高了两倍以上。这种晶体管不仅有望应用于5G通信基站、气象雷达和卫星通信领域，还有望应用于迄今为止一直使用真空管的微波加热和等离子体处理领域。该研究成果于2023年11月15日发表在国际期刊《Small》上。

金刚石衬底上的氮化镓晶体管

研究背景

氮化镓晶体管在移动数据通信基站和卫星通信系统等中被用作高功率、高频率半导体元件。然而，晶体管工作时产生的热量会导致性能和使用寿命降低，因此有必要使用具有高导热性能的基板作为底层。然而，一般广泛使用的以碳化硅为基底的晶体管在工作时散热能力都存在不足。

氮化镓功率晶体管

研究进展

为了制备出导热性能更佳的晶体管，研究小组先是在硅衬底上制作了3微米厚的氮化镓层和1微米厚的碳化硅（3C-SiC）缓冲层，然后将这两层从硅衬底上剥离，随后使用表面活性键合方法将这两层粘合到金刚石衬底上，从而制造出一个约1英寸的氮化镓晶体管。由于使用了高质量的碳化硅薄膜，即使在1100℃的热处理后，粘合界面上也没有出现薄膜分层现象，从而获得了高质量的异质结界面。

为了验证用这种方法在金刚石衬底上制作的氮化镓晶体管的散热效果，把它与在碳化硅衬底上制作的相同形状的晶体管进行了比较，结果表明金刚石衬底上的晶体管的散热效果比碳化硅衬底上的晶体管好2.3倍。散热效果也高于之前其他研究中在金刚石衬底上制作的晶体管，从而显著改善了晶体管的特性。

硅、碳化硅和金刚石晶体管的散热比较

（在相同的应用功率下，升温幅度越小，散热效果越好）

该研究小组称，氮化镓晶体管将实现系统的小型化和冷却机制的简化，并大大减少二氧化碳的排放。如果未来能实现使用金刚石衬底的大面积氮化镓晶体管，它有望用于5G通信基站、气象雷达和卫星通信。

粉体圈编译