日本两所高校联合宣布：金刚石+氮化镓，散热性能提高2.3倍！

随着科技的不断发展，电子设备的功能越来越强大，但同时也带来了散热问题。传统的散热材料已经无法满足现代电子设备的需求，因此，寻找新型的散热材料成为了科技领域的重要课题。

近日，日本大阪公立大学（OMU）和日本东北大学（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。

金刚石和氮化镓都是高热导率的材料，金刚石是自然界中热导率最高的物质，而氮化镓是人工合成的化合物中热导率最高的物质之一。将这两种材料结合在一起，可以充分发挥它们的优点，实现更高效的散热。

那么，金刚石+氮化镓是如何实现高效散热的呢？

首先，金刚石和氮化镓都具有极高的热导率。金刚石的热导率高达2000W/m·K，而氮化镓的热导率也达到了300W/m·K。这意味着它们可以快速地将热量传递到周围的环境中，从而避免了热量在材料内部积聚的问题。

其次，金刚石和氮化镓的结合方式也有助于提高散热性能。在金刚石表面涂上一层氮化镓薄膜，可以增加热量的传递路径，提高散热效率。此外，金刚石和氮化镓的结合力非常强，可以有效地防止热量在界面处散失。

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。

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。

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，这种新型的散热材料组合具有广泛的应用前景，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。此外，由于其高效的散热性能，金刚石+氮化镓还可以用于制造更小、更轻、更可靠的电子设备。随着科技的不断进步，相信这种新型的散热材料组合将会在未来发挥越来越重要的作用。

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