来源 | Applied Physics Reviews
01 背景介绍
随着新型半导体材料的研究和应用，微纳电子器件的发展进入一个新时代。散热问题成为阻碍高性能大功率电子器件发展的主要技术瓶颈。比如，对于氮化镓射频器件，结点温度每上升10℃，器件的平均寿命就会下降为原来的一半，过高的工作温度将严重影响器件的性能和可靠性。随着半导体器件向紧凑化和高度集成化发展，先进热管理技术成为各国竞争的关键核心技术。
02 成果掠影
近日，北京大学黄如院士、程哲研究员团队联合诺奖得主天野浩院士团队发表电子器件热管理综述文章。功率和射频电子的发展进入了一个（超）宽带隙半导体（如GaN， SiC和b-Ga2O3）的新时代，推动了各种技术的重大进步。高击穿电压和最小导通电阻是微型化和节能的关键问题之一。然而，有效的热管理技术成为一个关键的挑战，特别是当推动设备在其电子极限下运行以获得最大输出功率时。为了解决这些热障碍，对半导体异质结构中的热传导进行全面的研究是必不可少的。本文综述了用于电子冷却的（超）宽带隙半导体异质结构的最新进展，分为四个部分。第一部分概述了（超）宽带隙半导体异质结构的材料生长和热性能。第二部分讨论了非均质集成技术和键合界面的热边界导率。第三部分主要介绍了TBC的研究进展，包括热表征的进展、实验和理论的加强以及对TBC的基本认识。第四部分将重点转移到电子器件上，通过模拟和实验对这些异质结构的冷却效应进行了研究。最后，本综述还确定了未来研究的目标、挑战和潜在途径。它旨在通过新材料开发、创新集成技术、新器件设计和先进的热表征来推动电子冷却的进步。解决这些挑战并促进持续进步有望实现在电子极限下运行的高性能，高输出功率和高度可靠的电子设备。研究成果以“(Ultra)wide bandgap semiconductor heterostructures for electronics cooling ”为题发表在《Applied Physics Reviews》期刊。
03 图文导读
图1.高效热管理技术在半导体器件中具有重大意义。
（1）晶圆级高质量（超）宽禁带半导体晶体材料生长. 高质量和高纯度材料的生长对于实现高导热性至关重要。文章提供了高导热材料的最新测量导热系数和晶片尺寸的总结。
（2）针对电子器件热管理的异质集成技术. 仅仅提高半导体材料的质量并不能充分解决电子器件的散热难题，对于器件复杂的多层结构，需要充分利用半导体键合技术，实现（超）宽禁带半导体与高导热材料的高效紧密结合。文章探讨了（超）宽禁带半导体中常用的亲水键合(Hydrophobic bonding)、等离子体键合(Plasma bonding)、表面活化键合(Surface-activated bonding SAB)和智能切割(Smart-cut)技术等异质键合方法，并对不同方法制备的（超）宽禁带半导体的界面TBC进行了较为全面的总结对比。
图3.不同键合方法的总结。
（3）界面热阻的先进热表征技术、增强界面传热的实验和理论探究及界面局域声子模的理论理解. 对于微纳米电子器件，界面热阻成为制约器件散热的关键热阻来源。特别是对于局域热点的均热问题，如何研究和降低界面热阻成为下一步技术发展的核心。文章总结了界面热阻的测量技术，以及现有文献中的界面热阻的实验测量值，讨论了降低界面热阻的技术方案，最后从界面声子物理机制出发，讨论了近年来在界面热阻的理论理解方面的进展。
（4）电子器件上的异质结构冷却方法的模拟和实验研究. 在电子器件的设计阶段，通过有限元模拟和解析解等方法，可以实现器件级模拟，预测器件在实际工作条件下的温度分布。文章调研了多指器件的热串扰效应、不同的器件冷却策略(顶部、底部以及双面冷却）以及界面热阻对温度分布的影响等多项模拟工作，并通过热反射测温法，栅极电阻测温法等分析了在实际器件上应用多种不同散热技术的实验演示工作，更加直观地揭示和评估了各材料、结构和散热技术的冷却效果。
图4. 氮化镓器件的全方位金刚石冷却。
图5. β-Ga2O3器件的顶部冷却。
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