大阪市立大学、东北大学和Adamant并木精密宝石公司（东京都足立区）等组成的研究团队开发出了将作为新一代功率半导体备受期待的氮化镓（GaN）晶体管的散热性能提高至原来4倍的方法。该方法将氮化镓与可以快速散热的金刚石直接键合，大幅实现了节能，还方便用于会产生大量热量的大功率用途。今后将推进成本削减，计划2026年以后实现实用化。
在氮化镓半导体上键合了金刚石（上部透明层）（图片由大阪市立大学提供）
氮化镓是曾经获得诺贝尔物理学奖的蓝色发光二极管（LED）的材料。在控制电压和电流的功率半导体中，氮化镓在电流通过时的功率损耗较低，正在作为替代硅的材料推进开发之中，目前在部分领域已经实用化。
然而，氮化镓存在工作时发热严重，从而造成性能下降的问题。为此需要配备大型散热系统，否则很难用于大功率用途。虽然过去曾经有过将导热率较高、可以有效散热的金刚石用作散热材料的研究，但金刚石难以与氮化镓直接粘附在一起。而在氮化镓与金刚石之间设置其他物质层以方便二者粘接的方法又无法充分发挥金刚石的高散热性能。
此次，研究团队通过向氮化镓和金刚石照射特殊原子束提高原子的活性，将这两种材料变成了容易粘附的状态。通过使其紧贴在一起并施加压力，可以在常温下粘附两种材料。大阪市立大学的重川直辉教授表示：“根据计算，可以将氮化镓的温升降至原来的四分之一”。
在键合面形成的低导热率层，经过热处理后变薄（图片由大阪市立大学提供）
用显微镜观察键合面发现，在两种材料的粘附过程中，金刚石的晶体结构受损，导致导热性降低。但可以通过热处理重新结晶，恢复其导热性。键合面形成的低导热率层实施热处理前厚度为5.3纳米（纳米为10亿分之1米），处理后缩至1.5纳米。即使实施1000摄氏度的热处理也能保持键合状态，方便加工使用。
由于可以抑制氮化镓的温升，因此可以简化散热系统。包括功率半导体在内的整个元件也能实现小型轻量化。“未来，氮化镓晶体管还有望用于大功率的电车和大型空调等用途”（重川教授）。今后将更详细地评估键合面的导热性等物理性质，同时尝试更大面积的键合及试制晶体管。
实用化所面临的课题是金刚石的成本比较高。与目前主流的散热材料相比，金刚石的成本要高出100倍。Adamant并木精密宝石公司的负责人解释说：“研磨金刚石将其变成适合与半导体键合的状态需要较多的时间和成本”。今后打算开发新的研磨放法，以削减成本。
日文：三隅勇气、《日经产业新闻》，2021/09/29
中文：JST客观日本编辑部
