大阪市立大學、東北大學和Adamant並木醇密寶石公司（東京都足立區）等組成的研究團隊開發出了將作爲新一代功率半導體備受期待的氮化鎵（GaN）電晶體的熱放射性能提高至原來4倍的方法。該方法將氮化鎵與可以快速熱放射的金剛石直接鍵合，大幅實施了節能，還方便用於會產生大量熱量的大功率用途。今後將推進成本削減，計劃2026年以後實施實用化。
在氮化鎵半導體上鍵合了金剛石（上部透明層）（圖片由大阪市立大學提供）
氮化鎵是曾經獲得諾貝爾物理可用能學獎的藍色發光二極體（LED）的材料。在控制電壓和電流的功率半導體中，氮化鎵在電流透過時的功率損失較低，正在作爲替代硅的材料推進開發之中，目前在部分領域已經實用化。
然而，氮化鎵存在工作時發熱嚴重，從而造成性能下降的問題。爲此需要配備大型熱放射系統，否則很難用於大功率用途。雖然過去曾經有過將導熱率較高、可以有效熱放射的金剛石用作熱放射材料的研究，但金剛石難以與氮化鎵直接粘附在一起。而在氮化鎵與金剛石之間設置其他物質層以方便二者粘接的方法又無法充分發揮金剛石的高熱放射性能。
此次，研究團隊透過向氮化鎵和金剛石照射特殊原子束提高原子的活性，將這兩種材料變成了容易粘附的狀態。透過使其緊貼在一起並施加壓力，可以在常溫下粘附兩種材料。大阪市立大學的重川直輝教授表示：「根據計算，可以將氮化鎵的溫升降至原來的四分之一」。
在鍵合面形成的低導熱率層，經過熱處理後變薄（圖片由大阪市立大學提供）
用顯微鏡觀察鍵合面發現，在兩種材料的粘附程序中，金剛石的晶體結構受損，導致導熱性降低。但可以透過熱處理重新結晶，恢復其導熱性。鍵合面形成的低導熱率層實施熱處理前厚度爲5.3奈米（奈米爲10億分之1米），處理後縮至1.5奈米。即使實施1000攝氏度的熱處理也能保持鍵合狀態，方便加工使用。
由於可以抑制氮化鎵的溫升，因此可以簡化熱放射系統。包括功率半導體在内的整個元件也能實施小型輕量化。「未來，氮化鎵電晶體還有望用於大功率的電車和大型空調等用途」（重川教授）。今後將更詳細地評估鍵合面的導熱性等物理性質，同時嘗試更大面積的鍵合及試製電晶體。
實用化所面臨的課題是金剛石的成本比較高。與目前主流的熱放射材料相比，金剛石的成本要高出100倍。Adamant並木醇密寶石公司的負責人解釋說：「研磨金剛石將其變成適合與半導體鍵合的狀態需要較多的時間和成本」。今後打算開發新的研磨放法，以削減成本。
日文：三隅勇氣、《日經產業新聞》，2021/09/29
中文：JST客觀日本編輯部
