2023年12月1日，大阪公立大學和東北大學宣布，兩所大學的研究小組和其他研究小組利用金剛石作為基板制造出了氮化鎵（GaN）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，成功地將散熱量提高了兩倍以上。這種晶體管不僅有望應用于5G通信基站、氣象雷達和衛星通信領域，還有望應用于迄今為止一直使用真空管的微波加熱和等離子體處理領域。該研究成果于2023年11月15日發表在國際期刊《Small》上。

金剛石襯底上的氮化鎵晶體管

研究背景

氮化鎵晶體管在移動數據通信基站和衛星通信系統等中被用作高功率、高頻率半導體元件。然而，晶體管工作時產生的熱量會導致性能和使用壽命降低，因此有必要使用具有高導熱性能的基板作為底層。然而，一般廣泛使用的以碳化硅為基底的晶體管在工作時散熱能力都存在不足。

氮化鎵功率晶體管

研究進展

為了制備出導熱性能更佳的晶體管，研究小組先是在硅襯底上制作了3微米厚的氮化鎵層和1微米厚的碳化硅（3C-SiC）緩沖層，然后將這兩層從硅襯底上剝離，隨后使用表面活性鍵合方法將這兩層粘合到金剛石襯底上，從而制造出一個約1英寸的氮化鎵晶體管。由于使用了高質量的碳化硅薄膜，即使在1100℃的熱處理后，粘合界面上也沒有出現薄膜分層現象，從而獲得了高質量的異質結界面。

為了驗證用這種方法在金剛石襯底上制作的氮化鎵晶體管的散熱效果，把它與在碳化硅襯底上制作的相同形狀的晶體管進行了比較，結果表明金剛石襯底上的晶體管的散熱效果比碳化硅襯底上的晶體管好2.3倍。散熱效果也高于之前其他研究中在金剛石襯底上制作的晶體管，從而顯著改善了晶體管的特性。

硅、碳化硅和金剛石晶體管的散熱比較

（在相同的應用功率下，升溫幅度越小，散熱效果越好）

該研究小組稱，氮化鎵晶體管將實現系統的小型化和冷卻機制的簡化，并大大減少二氧化碳的排放。如果未來能實現使用金剛石襯底的大面積氮化鎵晶體管，它有望用于5G通信基站、氣象雷達和衛星通信。

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