砷化硼：高功率电子学的突破性热基板

新兴基板材料有望在高功率密度器件中提供优于当前领先材料的热管理能力。

热管理已迅速成为电气工程师最关键挑战之一。随着电子功率密度攀升，产生的热量随之增加。维持可靠运行需要能高效提取耗散热能的材料，保护敏感元件、维持峰值性能。

高功率器件制造商通常依赖金刚石或碳化硅基板将热量从功率密集型半导体（如晶体管）导出。最新研究发现一种新材料能以显著更高效率从热点抽取热量，潜在带来器件性能与节能的切实增益。

卓越热管理对功率电子行业的意义

随着晶体管尺寸缩至纳米级，制造商可在芯片封装更多晶体管，提升性能但也产生大量热量。缺乏稳健热管理，芯片会过热、降频、可靠性下降。长期热应力甚至导致过早失效。

行业分析师警告：摩尔定律——历史上晶体管数量每两年翻倍趋势——的极限收紧，主要因热管理需求升级。

优于当前最先进材料的热基板可助行业维持摩尔定律动力，保持算力增长轨道。

砷化硼作为半导体有前景的热基板崭露头角

2018年，UCLA与Irvine材料研究所研究者，由Yongjie Hu副教授领导，实验室制备出无缺陷砷化硼（BAs）。工作证明BAs在提取耗散热量方面优于传统半导体材料。

首次，团队将BAs直接集成进氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT），成果于2021年6月发表于《Nature Electronics》。研究显示BAs基板在高功率密度场景下性能甚至超越最先进热材料。

优于金刚石或碳化硅

为基准性能，研究者对比BAs、金刚石、碳化硅（SiC）基板上的GaN HEMT。功率密度15 W/mm时，BAs基HEMT温升从环境温至188°F（87°C），金刚石基达278°F（137°C），SiC基峰值近332°F（167°C）。

结果表明BAs基板使器件可在更高功率水平运行。卓越性能源于BAs高热导率与极低热边界电阻，共同促成快速热提取。

BAs热导率达1,300 W/m·K——虽低于金刚石2,300 W/m·K——但近零边界电阻赋予其散热应用决定性优势。

虽BAs含砷，但掺入砷化硼等化合物后稳定无毒，德州大学达拉斯分校Bing Lv博士指出，其亦开创高纯度BAs合成用于基板。

因此BAs被视为高性能电子学安全材料，安全性匹配SiC与金刚石。且BAs合成加工成本更低，降低工业采纳门槛。

仍需进一步研究全面表征BAs电子特性、确认长期可靠性，随后方能广泛实施。若后续研究持续验证发现，砷化硼或成下一代电子学基石材料。

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