CINNO Research 產(chǎn)業(yè)資訊，氮化鎵（GaN）晶體管作為一款具有較高輸出效率的半導體元件，已經(jīng)被廣泛應用于移動數(shù)據(jù)（Mobile Data）通信基站、人造衛(wèi)星通信系統(tǒng)（System）等諸多領域。由于晶體管工作時產(chǎn)生的熱量會導致其壽命降低、性能下滑，因此，需要采用具有較高散熱性的材料制作下層基底。但是，在目前主流的碳化硅基底上制作的晶體管在工作時，其散熱性能表現(xiàn)并不佳。

日本大阪公立大學研究生院工學研究科的梁建波副教授、重川直輝教授，與日本東北大學金屬材料研究所的大野裕特任研究員、井上耕治副教授、永井康介教授，以及北京大學的程哲（Zhe Cheng）助理教授等人組成的研究團隊在金剛石（金剛石為目前地球上熱導率最高的材料）基底上制作了氮化鎵晶體管，同時也在碳化硅基底上制作了同樣形狀的晶體管，比較后發(fā)現(xiàn)，前者的散熱性是后者的兩倍（甚至更高）。此次研發(fā)的氮化鎵晶體管不僅可以應用于5G通信基站、氣象雷達、衛(wèi)星通信領域，還有望應用于微波（Micro）加熱器（以往一般采用真空管）、等離子（Plasma）加工等諸多領域。

上述研發(fā)成果于2023年11月15日（星期三）發(fā)表于國際學術期刊《Small》上。

在金剛石基底上制作氮化鎵晶體管

研發(fā)小組比較在硅（Silicon）基底、碳化硅（SiC）基底、金剛石基底上制作的晶體管的散熱性。可以看出，因外加電壓引起的升溫現(xiàn)象越不明顯，其散熱性就越好。

梁劍波副教授

梁劍波副教授做出以下評論：

“為最大限度地發(fā)揮金剛石的極高導熱性，必須要減少界面的熱阻。在本次研究中，我們通過在氮化鎵和金剛石之間導入3C-SiC層，大幅度削減了界面的熱阻、且顯著提升了散熱性。本次研發(fā)成果將有助于提升氮化鎵半導體的散熱性，從而實現(xiàn)半導體器件、終端設備的小型化。同時，也有助于削減二氧化碳排放，是一項環(huán)保型新技術”。

研發(fā)背景

氮化鎵晶體管在工作時發(fā)生的熱和隨之產(chǎn)生的“升溫問題”可能導致半導體性能下滑、縮短半導體壽命，為半導體的實際應用帶來不良影響，因此亟待研發(fā)出一種有效的散熱技術。于是，業(yè)界普遍在考慮將具有極高散熱性能的金剛石用作半導體的散熱材料，但晶體管很難與金剛石實現(xiàn)“完美結合”，一直沒有出現(xiàn)業(yè)界期待的散熱效果，更沒有達到實用化水平。

在本次研究中，為了最大限度地有效利用金剛石的散熱性，研發(fā)小組研發(fā)出了一種異種半導體材料的直接結合技術，并在2022年3月制作了一款結合了“從硅基底上剝離下的氮化硅層”和“金剛石基底”的晶體管。但是，并未從硅基底上大面積剝離氮化硅層，也沒有驗證1100度高溫處理后的散熱性、以及其散熱性是否優(yōu)于碳化硅基底。

此次研發(fā)內(nèi)容

在本次研究中，首先在硅基底上分別生成一層厚度為3um的氮化鎵層和厚度為1um的碳化硅層（3C-SiC，一種晶體結構類似于金剛石的碳化硅材料，屬于立方體系）。隨后，從硅基底上剝離上述兩層。然后，利用表面活性化結合法，將上述兩層再與金剛石基底結合，即可制成尺寸為1英寸見方的氮化鎵晶體管（圖3a，b）。由于采用了高質(zhì)量碳化硅薄膜，因此在進行1100度高溫處理后，結合界面也沒有出現(xiàn)薄膜剝離現(xiàn)象，從而獲得了高質(zhì)量的異種材料結合界面（下圖3c）。

為了驗證利用上述技術方法制作的氮化硅晶體管的散熱性，研發(fā)小組同時還在碳化硅基底上制作了同樣形狀的晶體管，并進行了比較。結果顯示，金剛石基底的晶體管的散熱性是碳化硅基底晶體管的2.3倍。此外，此次制作的金剛石基底晶體管的散熱性也高于基于其他先進金剛石基底制作的晶體管，成功提升了晶體管的散熱特性（下圖3d）。

期待效果及未來展望

本次研發(fā)成果大幅度提升了氮化鎵半導體的散熱性和輸出功率，從而有望進一步提升系統(tǒng)的小型化、簡化冷卻系統(tǒng)，削減二氧化碳的排放。

今后，制造出大尺寸的基于金剛石基底的氮化鎵晶體管后，其用途有望擴展至5G通信基站、氣象雷達、衛(wèi)星通信等諸多高功率、高電力的應用領域。

研發(fā)基金支援信息

本次研究得到了以下組織機構的支援：

• 日本國立研究開發(fā)法人·新能源·產(chǎn)業(yè)技術綜合研發(fā)機構（NEDO）的資助項目（JPN20004）
• 日本東北大學金屬材料研究所附屬·量子能源材料科學國際研究中心合作利用研究（202112-IRKMA-0016）
• 日本文部科學省納米科技平臺（JPMXP09A21KT0006）

程哲 (Zhe Cheng)

程哲于2023年3月加入北京大學集成電路學院，擔任研究員、博導、助理教授，兼職北大納光電子中心。主要研究方向為電子器件的熱管理（特別是三維集成和芯粒）、熱測量、熱學電學協(xié)同設計。程哲于2019年12月博士畢業(yè)于Georgia Tech，師從Prof. Samuel Graham (現(xiàn)為馬里蘭大學工學院院長)；2020年1月至2022年12月在UIUC進行博士后訓練，合作導師為Prof. David Cahill (美國人文與科學院院士)；2019年在日本名古屋大學做特別研究學生，師從天野浩教授（諾貝爾物理獎得主）。