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隨著科技的不斷發(fā)展，電子設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)大，但同時(shí)也帶來(lái)了散熱問(wèn)題。傳統(tǒng)的散熱材料已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代電子設(shè)備的需求，因此，尋找新型的散熱材料成為了科技領(lǐng)域的重要課題。

近日，日本大阪公立大學(xué)（OMU）和日本東北大學(xué)（Tohoku University）金屬材料研究所聯(lián)合宣布，他們使用在所有材料中熱導(dǎo)率最高的金剛石作為基板，成功在金剛石上制造出了氮化鎵晶體管，與在碳化硅（SiC）基板上制造的相同形狀的晶體管相比，散熱性能提高了 2.3 倍。

金剛石和氮化鎵都是高熱導(dǎo)率的材料，金剛石是自然界中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)，而氮化鎵是人工合成的化合物中熱導(dǎo)率最高的物質(zhì)之一。將這兩種材料結(jié)合在一起，可以充分發(fā)揮它們的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更高效的散熱。

那么，金剛石+氮化鎵是如何實(shí)現(xiàn)高效散熱的呢？

首先，金剛石和氮化鎵都具有極高的熱導(dǎo)率。金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)2000W/m·K，而氮化鎵的熱導(dǎo)率也達(dá)到了300W/m·K。這意味著它們可以快速地將熱量傳遞到周?chē)沫h(huán)境中，從而避免了熱量在材料內(nèi)部積聚的問(wèn)題。

其次，金剛石和氮化鎵的結(jié)合方式也有助于提高散熱性能。在金剛石表面涂上一層氮化鎵薄膜，可以增加熱量的傳遞路徑，提高散熱效率。此外，金剛石和氮化鎵的結(jié)合力非常強(qiáng)，可以有效地防止熱量在界面處散失。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)首先在硅襯底上制作了一個(gè) 3 μm 厚的氮化鎵層和一個(gè) 1 μm 厚的 3C-SiC 緩沖層（3C-SiC，立方晶系中的一種），然后從硅襯底上剝離這兩層，接著用 "表面活性鍵合法 "將其鍵合在金剛石襯底上，最后得到一個(gè)尺寸約為 1 英寸（2.5 cm ）的氮化鎵晶體管。研究小組稱(chēng)，由于使用了高質(zhì)量的碳化硅薄膜，因此即使在 1100°C 的高溫下進(jìn)行熱處理，也不會(huì)在結(jié)界面上出現(xiàn)薄膜分層現(xiàn)象，從而獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)界面。

接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)用在碳化硅襯底上制造的相同形狀的晶體管進(jìn)行了比較，以驗(yàn)證用相同方法在金剛石襯底上制造的氮化鎵晶體管的散熱情況。結(jié)果證實(shí)，在金剛石襯底上的晶體管的散熱能力比在碳化硅襯底上的晶體管提高大約 2.3 倍。此外，他們實(shí)驗(yàn)得到的金剛石襯底上的晶體管比之前其他研究中在金剛石襯底上制作的晶體管實(shí)現(xiàn)了更好的散熱效果，晶體管的特性也得到了顯著改善。

這項(xiàng)研究大大改善了氮化鎵功率器件的散熱和最大功率輸出。這將有利于縮小系統(tǒng)規(guī)模，簡(jiǎn)化冷卻機(jī)制，大幅減少能源消耗。研究團(tuán)隊(duì)表示，這種新型的散熱材料組合具有廣泛的應(yīng)用前景，未來(lái)利用金剛石襯底實(shí)現(xiàn)大面積氮化鎵晶體管，有望擴(kuò)大高功率半導(dǎo)體元件在 5G 通信基站、氣象雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。此外，由于其高效的散熱性能，金剛石+氮化鎵還可以用于制造更小、更輕、更可靠的電子設(shè)備。隨著科技的不斷進(jìn)步，相信這種新型的散熱材料組合將會(huì)在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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