近日，中國科學院院士、西安電子科技大學教授郝躍團隊的教授張進成、寧靜在氧化鎵散熱難題上取得突破——用金剛石（鉆石）為散熱體，并通過石墨烯緩沖層實現(xiàn)高效熱傳導。該成果已在《Nature?Communications》上發(fā)表。
圖片來源：西安電子科技大學——圖為郝躍（中）團隊在實驗室
氧化鎵因其超寬禁帶特性在高壓、大功率應用中具備顯著優(yōu)勢，但其本身的熱導率僅為硅的約五分之一，工作時容易出現(xiàn)過熱問題。金剛石的熱導率高達約2000?W·m?1·K?1，是已知材料中最高的散熱介質，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因晶格和熱膨脹系數的差異產生界面缺陷，導致散熱效果不佳。為此，團隊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通道，使熱流能夠快速從氧化鎵傳遞到金剛石。
實驗結果顯示，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?功率開關器件在5kV以上的擊穿電壓下仍保持低正向壓降和高速開關特性，適用于5G/6G基站、雷達、衛(wèi)星通信以及電動汽車功率模塊等高壓高功率場景。
這項突破不只是實驗室成果，還解決了氧化鎵器件的“自熱”痛點，讓高導熱金剛石和氧化鎵高效“聯(lián)姻”，為解決氧化鎵器件發(fā)熱問題提供了全新思路，也為未來高性能、高可靠性電子器件的發(fā)展奠定了基礎。
在該技術的基礎上，團隊開發(fā)了一種新的范德華極化工程異質集成技術，成功在藍寶石襯底上生長了高質量的氮化鎵外延層，并以此為基礎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。
據介紹，這項技術有望在未來5G/6G通信基站、雷達系統(tǒng)、衛(wèi)星通信等關鍵領域發(fā)揮重要作用。低缺陷密度的氮化鎵外延層還適用于電動汽車充電樁、數據中心電源等高效率、高頻率的功率開關器件。
（集邦化合物半導體整理）
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