原创 日本大阪公立大学等联合研发出具有极高散热特性的氮化镓晶体管

CINNO Research 产业资讯，氮化镓（GaN）晶体管作为一款具有较高输出效率的半导体元件，已经被广泛应用于移动数据（Mobile Data）通信基站、人造卫星通信系统（System）等诸多领域。由于晶体管工作时产生的热量会导致其寿命降低、性能下滑，因此，需要采用具有较高散热性的材料制作下层基底。但是，在目前主流的碳化硅基底上制作的晶体管在工作时，其散热性能表现并不佳。

日本大阪公立大学研究生院工学研究科的梁建波副教授、重川直辉教授，与日本东北大学金属材料研究所的大野裕特任研究员、井上耕治副教授、永井康介教授，以及北京大学的程哲（Zhe Cheng）助理教授等人组成的研究团队在金刚石（金刚石为目前地球上热导率最高的材料）基底上制作了氮化镓晶体管，同时也在碳化硅基底上制作了同样形状的晶体管，比较后发现，前者的散热性是后者的两倍（甚至更高）。此次研发的氮化镓晶体管不仅可以应用于5G通信基站、气象雷达、卫星通信领域，还有望应用于微波（Micro）加热器（以往一般采用真空管）、等离子（Plasma）加工等诸多领域。

上述研发成果于2023年11月15日（星期三）发表于国际学术期刊《Small》上。

在金刚石基底上制作氮化镓晶体管

研发小组比较在硅（Silicon）基底、碳化硅（SiC）基底、金刚石基底上制作的晶体管的散热性。可以看出，因外加电压引起的升温现象越不明显，其散热性就越好。

梁剑波副教授

梁剑波副教授做出以下评论：

“为最大限度地发挥金刚石的极高导热性，必须要减少界面的热阻。在本次研究中，我们通过在氮化镓和金刚石之间导入3C-SiC层，大幅度削减了界面的热阻、且显著提升了散热性。本次研发成果将有助于提升氮化镓半导体的散热性，从而实现半导体器件、终端设备的小型化。同时，也有助于削减二氧化碳排放，是一项环保型新技术”。

研发背景

氮化镓晶体管在工作时发生的热和随之产生的“升温问题”可能导致半导体性能下滑、缩短半导体寿命，为半导体的实际应用带来不良影响，因此亟待研发出一种有效的散热技术。于是，业界普遍在考虑将具有极高散热性能的金刚石用作半导体的散热材料，但晶体管很难与金刚石实现“完美结合”，一直没有出现业界期待的散热效果，更没有达到实用化水平。

在本次研究中，为了最大限度地有效利用金刚石的散热性，研发小组研发出了一种异种半导体材料的直接结合技术，并在2022年3月制作了一款结合了“从硅基底上剥离下的氮化硅层”和“金刚石基底”的晶体管。但是，并未从硅基底上大面积剥离氮化硅层，也没有验证1100度高温处理后的散热性、以及其散热性是否优于碳化硅基底。

此次研发内容

在本次研究中，首先在硅基底上分别生成一层厚度为3um的氮化镓层和厚度为1um的碳化硅层（3C-SiC，一种晶体结构类似于金刚石的碳化硅材料，属于立方体系）。随后，从硅基底上剥离上述两层。然后，利用表面活性化结合法，将上述两层再与金刚石基底结合，即可制成尺寸为1英寸见方的氮化镓晶体管（图3a，b）。由于采用了高质量碳化硅薄膜，因此在进行1100度高温处理后，结合界面也没有出现薄膜剥离现象，从而获得了高质量的异种材料结合界面（下图3c）。

为了验证利用上述技术方法制作的氮化硅晶体管的散热性，研发小组同时还在碳化硅基底上制作了同样形状的晶体管，并进行了比较。结果显示，金刚石基底的晶体管的散热性是碳化硅基底晶体管的2.3倍。此外，此次制作的金刚石基底晶体管的散热性也高于基于其他先进金刚石基底制作的晶体管，成功提升了晶体管的散热特性（下图3d）。

期待效果及未来展望

本次研发成果大幅度提升了氮化镓半导体的散热性和输出功率，从而有望进一步提升系统的小型化、简化冷却系统，削减二氧化碳的排放。

今后，制造出大尺寸的基于金刚石基底的氮化镓晶体管后，其用途有望扩展至5G通信基站、气象雷达、卫星通信等诸多高功率、高电力的应用领域。

研发基金支援信息

本次研究得到了以下组织机构的支援：

• 日本国立研究开发法人·新能源·产业技术综合研发机构（NEDO）的资助项目（JPN20004）

• 日本东北大学金属材料研究所附属·量子能源材料科学国际研究中心合作利用研究（202112-IRKMA-0016）

• 日本文部科学省纳米科技平台（JPMXP09A21KT0006）

程哲 (Zhe Cheng)

程哲于2023年3月加入北京大学集成电路学院，担任研究员、博导、助理教授，兼职北大纳光电子中心。主要研究方向为电子器件的热管理（特别是三维集成和芯粒）、热测量、热学电学协同设计。程哲于2019年12月博士毕业于Georgia Tech，师从Prof. Samuel Graham (现为马里兰大学工学院院长)；2020年1月至2022年12月在UIUC进行博士后训练，合作导师为Prof. David Cahill (美国人文与科学院院士)；2019年在日本名古屋大学做特别研究学生，师从天野浩教授（诺贝尔物理奖得主）。