自從2012年梁劍波教授加入大阪市立大學（2020年，大阪市立大學和大阪府立大學進行合并，更名為日本大阪公立大學）以來，
2013-2016年，梁劍波研究團隊成功通過異種材料的常溫接合制作出高效率、低成本的InGaP/GaAs/Si串聯式太陽能電池；2018年至今，梁劍波研究團隊在金剛石與GaN的常溫鍵合領域做出頗多工作與成果，
目前，。近年來，主持了多個研發項目，包括由日本學術振興會（JSPC）、日本國立研究開發法人新能源・産業技術綜合開發機構（NEDO）、日大學學技術振興機構（JST）等機構資助的國家重點研發課題，以及企業合作研發項目，共計12項。
同時，與國内外10餘家著名科研院所展開多個項目和技術合作，促進了國際科研交流。作為第一作者、通訊作者或指導學生，在國際著名刊物如 "Adv. Mater."，"Nat. Com"，"Small"，"Appl. Phys. Lett"等發表了150餘篇論文，同時申請了12項專利，并撰寫了8部專著。曾在41次國際學術會議上發表演講，并受邀在14次國際學術會議上作報告。在國際會議上，多次榮獲了最佳發表獎，并在大阪市立大學南部陽一郎（諾貝爾實體學獎獲得者）頒發的優秀研究獎和著名刊物優秀審稿獎等多個獎項的認可。目前擔任"Functional Diamond"和 "Science Talks" 期刊的編委，同時兼任 "Adv. Mater."，"ACS Appl. Mater. Inter."，"ACS Nano Lett."，"Appl. Phys. Lett"等13家國際期刊的審稿人。
“金剛石與GaN的常溫鍵合”是其近年來的主要研究方向之一。
。然而，晶片直接鍵合技術要求鍵合材料具有非常高的表面平整度。随後，該團隊對大面積鍵合、界面熱傳導特性評估、直接與金剛石鍵合的GaN層半導體的試制、實用散熱示範等研究進行詳細開發，并取得系列成果。（Fabrication of GaN/Diamond Heterointerface and Interfacial Chemical Bonding State for Highly Efficient Device Design, Adv. Mater. 33, 2104564 （2021））
GaN/Diamond鍵合樣品光學圖檔和鍵合樣品的截面示意圖
1000 ℃熱處理後形成的SiC層厚度略有增加，這是因為SiC層中由遊離的Si和C生成SiC，且非晶SiC在熱處理後變成多晶結構。即使高溫處理後鍵合界面處也沒有觀察到空隙，這表明金剛石-SiC的鍵合界面具有優異的熱穩定性。研究結果表明，SiC層的沉積可以降低對金剛石表面粗糙度的要求，促進多晶金剛石和半導體材料的室溫鍵合。
相關的成果以“Room-temperature bonding of GaN and Diamond via a SiC layer”為題，發表在《Functional Diamond》雜志上。
研究團隊發現，與SiC襯底上制造的相同形狀半導體相比，這項技術的散熱性能翻了兩倍多。為了最大限度利用金剛石的高熱導率，研究人員在GaN和金剛石之間內建了3C-SiC層（一種立方多型體SiC）。
鍵合界面表現出非凡的堅固性，能夠承受各種器件制造技術。即使在1100°C退火後也沒有觀察到3C-SiC/金剛石鍵合界面的剝落，這對于金剛石上高品質的GaN晶體生長至關重要。3C SiC/金剛石界面處的熱邊界電導測量值為119 W/m2∙K，這該技術大大降低了界面的熱阻，提高散熱性能。
相關研究成果以“High Thermal Stability and Low Thermal Resistance of Large Area GaN/3C-SiC/Diamond Junctions for Practical Device Processes”為題發表于《Small》。
梁劍波教授表示：“這項新技術有望大幅減少二氧化碳排放，并可能通過改進的熱管理能力徹底改變功率及射頻電子的發展。”
GaN HEMT助力電力電子系統朝着更高的效率和功率密度前進。
那麼，他們所研究的金剛石與氮化镓鍵合究竟有着怎樣的實際意義？這就不得不提GaN器件存在的意義。
一般禁帶寬度大于2 eV的半導體稱為寬禁帶半導體，也稱為第三代半導體。
氮化镓（gallium nitride，GaN）作為第三代半導體材料，具有優異的材料特性，如禁帶寬度大、擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等。由于AlGaN/GaN異質結界面存在高密度的二維電子氣（2DEG），是以GaN HEMT具有高電子遷移率、耐高溫、耐高壓、抗輻射能力強等優越性質，可以用較少的電能消耗獲得更高的運作能力。這些特性使得電力，電子系統朝着更高的效率和功率密度前進。
散熱問題，制約GaN基功率器件進一步發展和廣泛應用的主要技術瓶頸之一。
在高功率運作時，GaN器件的輸出功率受到自熱的限制，一般其功率密度往往隻能達到8-10 W·mm-1。另外，GaN的性能和可靠性與溝道上的溫度和焦耳熱效應有關。尤其是，近年來，随着GaN微波功率器件的設計和工藝不斷提高和改進，其理論輸出功率越來越高（4 GHz，~40 W/mm），頻率越來越大，體積越來越小，其可靠性和穩定性受到嚴重挑戰。。是以，受傳統封裝散熱技術的限制無法解決這一難題，必須從GaN器件近端結熱區着手提升其熱傳輸能力，是以探讨GaN基器件的高效散熱課題成為其進一步推進GaN器件發展的重要方向。
金剛石，逐漸成為GaN器件熱沉材料的首選。
GaN功率器件一般是在Si襯底上制備的，原始襯底較低的熱導率（Si:150 W·mK-1）不能滿足器件散熱的要求，緻使器件性能嚴重退化，極大的限制了GaN基功率器件的應用。內建到GaN中的SiC和金剛石等襯底可以改善熱管理。這使得降低裝置的工作溫度成為可能。對于導熱率更高的金剛石襯底，其導熱系數是矽的14倍，電場電阻是矽的30倍。高導熱性允許熱量擴散。金剛石的帶隙為5.47ev，擊穿場強為10 mv/cm，電子遷移率為2200 cm2其導熱系數約為21 w/cm·K，。此外，與其他類似結構相比，金剛石襯底上的GaN HEMT與SiC相比熱阻降低率最為顯著，金剛石逐漸成為GaN器件熱沉材料的首選。
各種襯底材料及GaN的常見性能
如何将金剛石與GaN內建？
使用金剛石能有效提高GaN器件近結區散熱能力，降低峰值溫度，大大提高器件的可靠性。但如何将金剛石與GaN內建成為難點。目前已經報道的金剛石與GaN的內建方法主要分為三類：
由于兩種材料之間大的晶格失配，以及熱膨脹系數差異，在金剛石上生長高品質的GaN相當困難，且生長金剛石後的GaN容易形成高密度位錯甚至破裂；
在GaN上生長金剛石往往需要在800℃甚至更高溫度條件進行，高溫工藝容易造成晶圓翹曲以及破裂，并且沉積金剛石前需要先沉積一層介電層，介電層會造成金剛石形核品質差，且形核層熱導率低，使得界面熱阻較高；
金剛石和GaN的鍵合是一個并行的過程，可以分别制備GaN層和金剛石襯底，低溫鍵合技術可以避免高溫生長産生的晶格失配和熱膨脹系數的差異，也不用考慮形核層熱導率低的問題。選擇品質更好，熱導率更高的金剛石作為鍵合材料，能夠最大限度的提高散熱能力。
大阪團隊：GaN On Diamond，金剛石是GaN最好的朋友
GaN-on-Diamond顯示出作為下一代半導體材料的前景，因為這兩種材料的禁帶寬度都很寬，可實作高導電性和金剛石的高導熱性，将其定位為卓越的散熱基闆。研究人員曾試圖通過将GaN和金剛石用某種形式的過渡層或粘附層結合，來創造一種GaN-on-Diamond結構，但在這兩種情況下，是以，需要一種可以直接內建鑽石和氮化镓的技術。然而，由于它們的晶體結構和晶格常數的巨大差異，在GaN上直接生長金剛石或在金剛石生長GaN極其困難。
“是以，需要一種可以直接內建Diamond和GaN的技術，”梁劍波教授解釋道，“
無需任何中間層即可将兩個元件熔合在一起，稱為晶圓直接鍵合，是解決這種不比對問題的一種方法。然而，為了産生足夠高的粘合強度，許多直接粘合方法需要在稱為後退火工藝的過程中将結構加熱到極高的溫度。由于熱膨脹失配，這通常會導緻不同材料的粘合樣品出現裂紋——GaN-Diamond結構在制造過程中經曆的極高溫度下無法幸存。
2021年，梁劍波教授研究團隊使用表面活化鍵合（SAB）在室溫下成功地制造了與Diamond的各種界面，所有界面都表現出很高的熱穩定性和出色的實用性。據了解，SAB法是通過原子清潔和激活鍵合表面在互相接觸時發生反應，在室溫下在不同材料之間建立高度牢固的鍵合。
由于GaN的化學性質與大阪研究團隊過去使用的材料完全不同，為了表征異質界面的GaN中的殘餘應力，他們使用微拉曼光譜、透射電子顯微鏡（TEM）和能量色散X射線光譜揭示了異質界面的納米結構和原子行為，電子能量損失光譜（EELS）顯示了異質界面處碳原子的化學鍵合狀态，并在N2中于700攝氏度測試了異質界面的熱穩定性氣體環境壓力，“這是基于GaN的功率器件制造技術所必需的，”梁劍波教授在過去的采訪中說道。
“結果表明，在異質界面處形成了大約5.3 nm的中間層，它是非晶碳和Diamond的混合物，其中分布有Ga和N原子。随着團隊提高退火溫度，我們注意到中間層厚度減小，由于無定形碳直接轉化為金剛石。在1000攝氏度退火後，層減少到1.5 nm，這表明可以通過優化退火工藝完全去除中間層，”梁劍波教授解釋道。“盡管異質界面的抗壓強度數字随着退火溫度的升高而提高，但它們與晶體生長形成的金剛石上GaN結構的抗壓強度不比對。由于在1000攝氏度退火後異質界面上沒有觀察到剝落，這些結果表明，GaN/金剛石異質界面能夠經受嚴酷的制造過程，氮化镓半導體的溫度上升被抑制了四倍。”
在最新的研究進展中，目前梁劍波教授團隊已成功将AlGaN/GaN/3C-SiC層從矽轉移到大型金剛石襯底上，并在金剛石上制備了GaN高電子遷移率半導體（HEMTs）。值得注意的是，在1100°C的高溫退火後，3C-SiC/金剛石結合界面未發生剝離，這對于在金剛石上高品質生長GaN晶體至關重要。
AlGaN/GaN/3C-SiC層結合到金剛石上經曆了拉伸應力，随着退火溫度的升高而釋放。與矽和SiC襯底上的GaN HEMTs相比，金剛石襯底上的GaN HEMTs表現出最高的漏極電流和最低的表面溫度。此外，金剛石襯底上的GaN HEMTs的熱阻小于SiC的一半，約為Si的四分之一。這些結果表明，
大規模商業化，或不遠矣
基于業界長期的研發活動，如今金剛石半導體相關功能應用已經開始逐漸邁向實用化。但要真正普及推廣金剛石在半導體領域的應用，依然需要花費很長的時間，
來源：DT半導體
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