大阪市立大學大學院工學研究科的梁劍波副教授和重川直輝教授、東北大學金屬材料研究所的大野裕副教授、永井康介教授和清水康雄博士（現國立研究開發法人物質材料研究機構，簡稱NIMS）、佐賀大學理工學部的嘉數誠教授以及「Adamant並木醇密寶石」公司的金聖祐博士等人組成的研究團隊成功實施了氮化鎵（GaN）與金剛石的直接鍵合。GaN元件的性能受發熱侷限是一直存在的缺點，但透過鍵合地球上導熱率最高的金剛石，可以將GaN電晶體的溫升控制在以往的四分之一左右。相關成果已經發佈於ADVANCED MATERIALS的線上版。
GaN/金剛石鍵合界面的截面TEM影像（a：實施熱處理前，b：實施1,000℃的熱處理後）（照片由大阪市立大學提供）
電晶體工作時的發熱以及溫升造成的性能劣化和可靠性下降一直是所有類型和材料的電晶體都存在的嚴重問題。尤其是GaN電晶體，由於與目前主流的硅電晶體相比工作時的輸出功率和頻率更高，所以必須開發有效的散熱方法。對此，各機構都在設法實施以金剛石爲熱放射材料的GaN on金剛石構造。但是，這些措施都要在GaN與金剛石之間插入一個中氣層，結果阻礙了熱放射性，另外，由於金剛石的結晶性不充分，還存在無法充分發揮金剛石熱放射性能的課題。
研究團隊利用表面活化鍵合法，在常溫下將Si基底層上沉積物的約1微米厚的GaN薄膜表面直接鍵合到了金剛石基底層上。然後在氮氣氛中對去除了Si基底層的GaN薄膜/金剛石進行熱處理，應答在1000攝氏度下能維持鍵合。另外，還透過TEM觀察了熱處理前後的GaN/金剛石鍵合界面，應答熱處理溫度與鍵合界面的奈米構造相關。實施熱處理前爲5.3奈米的晶體破損部分（非晶質層）在實施1000攝氏度的熱處理後減至1.5奈米。研究團隊對界面的碳原子、鎵原子和氮原子分佈及碳原子之間的鍵合狀態進行調查發現，熱處理前的金剛石中的非晶質層經過1000攝氏度的熱處理後重新結晶。
由於鍵合界面可以承受1000攝氏度的熱處理，透過對鍵合到金剛石上的GaN層進行加工，有望實施最大限度發揮金剛石導熱性的GaN元件。透過提高元件性能和簡化熱放射機制，還有助於實施小型輕量化。研究團隊目前正面向實用化推進大面積鍵合和界面導熱性評估、在與金剛石直接鍵合的GaN層上試製電晶體，以及熱放射性驗證等。
梁劍波副教授表示：「隨着半導體元件的小型化、高度整合化和高性能化，工作時的溫升造成的輸出功率下降和元件壽命短縮成爲重要課題。期待這項研究的成果能早日實用化，以解決半導體元件的發熱問題，助力人類實施SDGs」。
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
