近日，中國(guó)科學(xué)院院士、西安電子科技大學(xué)教授郝躍團(tuán)隊(duì)的教授張進(jìn)成、寧?kù)o在氧化鎵散熱難題上取得突破——用金剛石（鉆石）為散熱體，并通過(guò)石墨烯緩沖層實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。該成果已在《Nature?Communications》上發(fā)表。
圖片來(lái)源：西安電子科技大學(xué)——圖為郝躍（中）團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室
氧化鎵因其超寬禁帶特性在高壓、大功率應(yīng)用中具備顯著優(yōu)勢(shì)，但其本身的熱導(dǎo)率僅為硅的約五分之一，工作時(shí)容易出現(xiàn)過(guò)熱問(wèn)題。金剛石的熱導(dǎo)率高達(dá)約2000?W·m?1·K?1，是已知材料中最高的散熱介質(zhì)，理論上可以大幅降低器件溫升。
然而，直接將氧化鎵貼合在金剛石上會(huì)因晶格和熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生界面缺陷，導(dǎo)致散熱效果不佳。為此，團(tuán)隊(duì)在兩者之間引入單層或多層石墨烯，石墨烯既能提供柔性匹配，又保持極高的熱傳導(dǎo)通道，使熱流能夠快速?gòu)难趸墏鬟f到金剛石。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，加入石墨烯后，散熱阻降低約十倍，器件工作溫度下降30?°C以上，顯著提升了功率密度和可靠性。采用該散熱方案的Ga?O?功率開(kāi)關(guān)器件在5kV以上的擊穿電壓下仍保持低正向壓降和高速開(kāi)關(guān)特性，適用于5G/6G基站、雷達(dá)、衛(wèi)星通信以及電動(dòng)汽車功率模塊等高壓高功率場(chǎng)景。
這項(xiàng)突破不只是實(shí)驗(yàn)室成果，還解決了氧化鎵器件的“自熱”痛點(diǎn)，讓高導(dǎo)熱金剛石和氧化鎵高效“聯(lián)姻”，為解決氧化鎵器件發(fā)熱問(wèn)題提供了全新思路，也為未來(lái)高性能、高可靠性電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的范德華極化工程異質(zhì)集成技術(shù)，成功在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)了高質(zhì)量的氮化鎵外延層，并以此為基礎(chǔ)制備出高性能的氮化鎵基射頻器件。該器件具有高電子遷移率、高飽和電流密度和低截止電流，適用于高頻高功率放大器。
據(jù)介紹，這項(xiàng)技術(shù)有望在未來(lái)5G/6G通信基站、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等關(guān)鍵領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。低缺陷密度的氮化鎵外延層還適用于電動(dòng)汽車充電樁、數(shù)據(jù)中心電源等高效率、高頻率的功率開(kāi)關(guān)器件。
（集邦化合物半導(dǎo)體整理）
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