近日，中国科学院院士、西安电子科技大学教授郝跃团队的教授张进成、宁静在氧化镓散热难题上取得突破——用金刚石（钻石）为散热体，并通过石墨烯缓冲层实现高效热传导。该成果已在《Nature Communications》上发表。
图片来源：西安电子科技大学——图为郝跃（中）团队在实验室
氧化镓因其超宽禁带特性在高压、大功率应用中具备显著优势，但其本身的热导率仅为硅的约五分之一，工作时容易出现过热问题。金刚石的热导率高达约2000 W·m⁻¹·K⁻¹，是已知材料中最高的散热介质，理论上可以大幅降低器件温升。
然而，直接将氧化镓贴合在金刚石上会因晶格和热膨胀系数的差异产生界面缺陷，导致散热效果不佳。为此，团队在两者之间引入单层或多层石墨烯，石墨烯既能提供柔性匹配，又保持极高的热传导通道，使热流能够快速从氧化镓传递到金刚石。
实验结果显示，加入石墨烯后，散热阻降低约十倍，器件工作温度下降30 °C以上，显著提升了功率密度和可靠性。采用该散热方案的Ga₂O₃功率开关器件在5kV以上的击穿电压下仍保持低正向压降和高速开关特性，适用于5G/6G基站、雷达、卫星通信以及电动汽车功率模块等高压高功率场景。
这项突破不只是实验室成果，还解决了氧化镓器件的“自热”痛点，让高导热金刚石和氧化镓高效“联姻”，为解决氧化镓器件发热问题提供了全新思路，也为未来高性能、高可靠性电子器件的发展奠定了基础。
在该技术的基础上，团队开发了一种新的范德华极化工程异质集成技术，成功在蓝宝石衬底上生长了高质量的氮化镓外延层，并以此为基础制备出高性能的氮化镓基射频器件。该器件具有高电子迁移率、高饱和电流密度和低截止电流，适用于高频高功率放大器。
据介绍，这项技术有望在未来5G/6G通信基站、雷达系统、卫星通信等关键领域发挥重要作用。低缺陷密度的氮化镓外延层还适用于电动汽车充电桩、数据中心电源等高效率、高频率的功率开关器件。
（集邦化合物半导体整理）
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