來源 | Applied Physics Reviews
01 背景介紹
隨著新型半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用，微納電子器件的發(fā)展進(jìn)入一個新時代。散熱問題成為阻礙高性能大功率電子器件發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。比如，對于氮化鎵射頻器件，結(jié)點溫度每上升10℃，器件的平均壽命就會下降為原來的一半，過高的工作溫度將嚴(yán)重影響器件的性能和可靠性。隨著半導(dǎo)體器件向緊湊化和高度集成化發(fā)展，先進(jìn)熱管理技術(shù)成為各國競爭的關(guān)鍵核心技術(shù)。
02 成果掠影
近日，北京大學(xué)黃如院士、程哲研究員團(tuán)隊聯(lián)合諾獎得主天野浩院士團(tuán)隊發(fā)表電子器件熱管理綜述文章。功率和射頻電子的發(fā)展進(jìn)入了一個（超）寬帶隙半導(dǎo)體（如GaN， SiC和b-Ga2O3）的新時代，推動了各種技術(shù)的重大進(jìn)步。高擊穿電壓和最小導(dǎo)通電阻是微型化和節(jié)能的關(guān)鍵問題之一。然而，有效的熱管理技術(shù)成為一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，特別是當(dāng)推動設(shè)備在其電子極限下運(yùn)行以獲得最大輸出功率時。為了解決這些熱障礙，對半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的熱傳導(dǎo)進(jìn)行全面的研究是必不可少的。本文綜述了用于電子冷卻的（超）寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展，分為四個部分。第一部分概述了（超）寬帶隙半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料生長和熱性能。第二部分討論了非均質(zhì)集成技術(shù)和鍵合界面的熱邊界導(dǎo)率。第三部分主要介紹了TBC的研究進(jìn)展，包括熱表征的進(jìn)展、實驗和理論的加強(qiáng)以及對TBC的基本認(rèn)識。第四部分將重點轉(zhuǎn)移到電子器件上，通過模擬和實驗對這些異質(zhì)結(jié)構(gòu)的冷卻效應(yīng)進(jìn)行了研究。最后，本綜述還確定了未來研究的目標(biāo)、挑戰(zhàn)和潛在途徑。它旨在通過新材料開發(fā)、創(chuàng)新集成技術(shù)、新器件設(shè)計和先進(jìn)的熱表征來推動電子冷卻的進(jìn)步。解決這些挑戰(zhàn)并促進(jìn)持續(xù)進(jìn)步有望實現(xiàn)在電子極限下運(yùn)行的高性能，高輸出功率和高度可靠的電子設(shè)備。研究成果以“(Ultra)wide bandgap semiconductor heterostructures for electronics cooling ”為題發(fā)表在《Applied Physics Reviews》期刊。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1.高效熱管理技術(shù)在半導(dǎo)體器件中具有重大意義。
（1）晶圓級高質(zhì)量（超）寬禁帶半導(dǎo)體晶體材料生長. 高質(zhì)量和高純度材料的生長對于實現(xiàn)高導(dǎo)熱性至關(guān)重要。文章提供了高導(dǎo)熱材料的最新測量導(dǎo)熱系數(shù)和晶片尺寸的總結(jié)。
（2）針對電子器件熱管理的異質(zhì)集成技術(shù). 僅僅提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量并不能充分解決電子器件的散熱難題，對于器件復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，需要充分利用半導(dǎo)體鍵合技術(shù)，實現(xiàn)（超）寬禁帶半導(dǎo)體與高導(dǎo)熱材料的高效緊密結(jié)合。文章探討了（超）寬禁帶半導(dǎo)體中常用的親水鍵合(Hydrophobic bonding)、等離子體鍵合(Plasma bonding)、表面活化鍵合(Surface-activated bonding SAB)和智能切割(Smart-cut)技術(shù)等異質(zhì)鍵合方法，并對不同方法制備的（超）寬禁帶半導(dǎo)體的界面TBC進(jìn)行了較為全面的總結(jié)對比。
圖3.不同鍵合方法的總結(jié)。
（3）界面熱阻的先進(jìn)熱表征技術(shù)、增強(qiáng)界面?zhèn)鳠岬膶嶒灪屠碚撎骄考敖缑婢钟蚵曌幽５睦碚摾斫? 對于微納米電子器件，界面熱阻成為制約器件散熱的關(guān)鍵熱阻來源。特別是對于局域熱點的均熱問題，如何研究和降低界面熱阻成為下一步技術(shù)發(fā)展的核心。文章總結(jié)了界面熱阻的測量技術(shù)，以及現(xiàn)有文獻(xiàn)中的界面熱阻的實驗測量值，討論了降低界面熱阻的技術(shù)方案，最后從界面聲子物理機(jī)制出發(fā)，討論了近年來在界面熱阻的理論理解方面的進(jìn)展。
（4）電子器件上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)冷卻方法的模擬和實驗研究. 在電子器件的設(shè)計階段，通過有限元模擬和解析解等方法，可以實現(xiàn)器件級模擬，預(yù)測器件在實際工作條件下的溫度分布。文章調(diào)研了多指器件的熱串?dāng)_效應(yīng)、不同的器件冷卻策略(頂部、底部以及雙面冷卻）以及界面熱阻對溫度分布的影響等多項模擬工作，并通過熱反射測溫法，柵極電阻測溫法等分析了在實際器件上應(yīng)用多種不同散熱技術(shù)的實驗演示工作，更加直觀地揭示和評估了各材料、結(jié)構(gòu)和散熱技術(shù)的冷卻效果。
圖4. 氮化鎵器件的全方位金剛石冷卻。
圖5. β-Ga2O3器件的頂部冷卻。
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