來源 | Applied Physics Reviews
01 背景介紹
隨著新型半導體材料的研究和應用，微納電子器件的發展進入一個新時代。散熱問題成為阻礙高性能大功率電子器件發展的主要技術瓶頸。比如，對于氮化鎵射頻器件，結點溫度每上升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重影響器件的性能和可靠性。隨著半導體器件向緊湊化和高度集成化發展，先進熱管理技術成為各國競爭的關鍵核心技術。
02 成果掠影
近日，北京大學黃如院士、程哲研究員團隊聯合諾獎得主天野浩院士團隊發表電子器件熱管理綜述文章。功率和射頻電子的發展進入了一個（超）寬帶隙半導體（如GaN， SiC和b-Ga2O3）的新時代，推動了各種技術的重大進步。高擊穿電壓和最小導通電阻是微型化和節能的關鍵問題之一。然而，有效的熱管理技術成為一個關鍵的挑戰，特別是當推動設備在其電子極限下運行以獲得最大輸出功率時。為了解決這些熱障礙，對半導體異質結構中的熱傳導進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）寬帶隙半導體異質結構的最新進展，分為四個部分。第一部分概述了（超）寬帶隙半導體異質結構的材料生長和熱性能。第二部分討論了非均質集成技術和鍵合界面的熱邊界導率。第三部分主要介紹了TBC的研究進展，包括熱表征的進展、實驗和理論的加強以及對TBC的基本認識。第四部分將重點轉移到電子器件上，通過模擬和實驗對這些異質結構的冷卻效應進行了研究。最后，本綜述還確定了未來研究的目標、挑戰和潛在途徑。它旨在通過新材料開發、創新集成技術、新器件設計和先進的熱表征來推動電子冷卻的進步。解決這些挑戰并促進持續進步有望實現在電子極限下運行的高性能，高輸出功率和高度可靠的電子設備。研究成果以“(Ultra)wide bandgap semiconductor heterostructures for electronics cooling ”為題發表在《Applied Physics Reviews》期刊。
03 圖文導讀
圖1.高效熱管理技術在半導體器件中具有重大意義。
（1）晶圓級高質量（超）寬禁帶半導體晶體材料生長. 高質量和高純度材料的生長對于實現高導熱性至關重要。文章提供了高導熱材料的最新測量導熱系數和晶片尺寸的總結。
（2）針對電子器件熱管理的異質集成技術. 僅僅提高半導體材料的質量并不能充分解決電子器件的散熱難題，對于器件復雜的多層結構，需要充分利用半導體鍵合技術，實現（超）寬禁帶半導體與高導熱材料的高效緊密結合。文章探討了（超）寬禁帶半導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)技術等異質鍵合方法，并對不同方法制備的（超）寬禁帶半導體的界面TBC進行了較為全面的總結對比。
圖3.不同鍵合方法的總結。
（3）界面熱阻的先進熱表征技術、增強界面傳熱的實驗和理論探究及界面局域聲子模的理論理解. 對于微納米電子器件，界面熱阻成為制約器件散熱的關鍵熱阻來源。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發展的核心。文章總結了界面熱阻的測量技術，以及現有文獻中的界面熱阻的實驗測量值，討論了降低界面熱阻的技術方案，最后從界面聲子物理機制出發，討論了近年來在界面熱阻的理論理解方面的進展。
（4）電子器件上的異質結構冷卻方法的模擬和實驗研究. 在電子器件的設計階段，通過有限元模擬和解析解等方法，可以實現器件級模擬，預測器件在實際工作條件下的溫度分布。文章調研了多指器件的熱串擾效應、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用多種不同散熱技術的實驗演示工作，更加直觀地揭示和評估了各材料、結構和散熱技術的冷卻效果。
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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