赞 评论 收藏 分享 从SiC、GaN到金刚石：清华&山大团队解读功率半导体热管理的下一 ...

当你用享受轨道交通带来的出行便利、给电动车充电，或是在工业车间看到高速运转的电机时，可能不会想到，这些高效能源转换的背后，隐藏着一场与 “热量” 的持久博弈。功率电子系统正以惊人的速度提升效率与功率密度，但随着器件向高频化、小型化、集成化狂奔，一个棘手的问题愈发突出 ——自发热效应。想象一下，在指甲盖大小的芯片上，每秒流过的电流足以点亮几十盏灯泡，随之产生的热量若无法及时散去，不仅会让设备效率暴跌，更可能直接导致器件烧毁，威胁整个系统的稳定性。

这就是为什么 “热管理” 成为功率电子领域的核心命题。对于半导体晶体管而言，有效的热管理不仅能维持其高效运行，更是减少能源损耗、降低碳排放的关键，直接关系到可持续技术的未来。

而这场博弈的主角，正在悄然更迭。过去二十年，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽禁带（WBG）半导体掀起了第一次革命 —— 它们凭借高电子迁移率、高临界场强等特性，在功率电子领域实现了性能飞跃。但科技的脚步从不停歇，如今，超宽禁带（UWBG）半导体正接过接力棒。

氧化镓（Ga₂O₃）、铝镓氮（AlₓGa₁₋ₓN）、金刚石等 UWBG 材料，以超过 4 eV 的禁带宽度和更高的临界电场，成为下一代功率技术的潜力股。它们能以更小的芯片尺寸实现更高的阻断电压，功率密度远超传统硅基器件。

然而，能力越大，“热量” 的挑战也越大。UWBG 器件的超高功率密度，让传统的 “宏观散热” 方法逐渐力不从心。过去依赖散热片、导热界面材料的封装级热管理，受限于热扩散电阻和材料本身的局限，难以解决器件内部的局部热点 —— 那些纳米尺度的极端高温区域，恰恰是高功率密度半导体失效的关键诱因。

一场从 “封装级” 到 “晶体管级” 的热管理技术转移正在发生。科学家及产业界需要把目光投向器件内部，聚焦于靠近结区的微观热传递过程：如何减少结到壳的热阻？如何优化功率损耗？如何从源头抑制局部热点的产生？

近日，清华大学曹炳阳教授团队，山东大学辛公明团队综述了功率器件内部微观传热过程晶体管级热管理的全面分类与深入对比。本文通过分析宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）功率半导体晶体管的自发热机制，从结到壳热阻（Rth）和功率损耗（Ploss）两方面总结了结温（Tj）控制策略：首先从结侧和底侧传热路径评述了不同的侧冷却方法；在此基础上，探讨了影响传热的复杂微纳界面障碍，包括界面传热机制及调控方法；综述了优化内部电场、比导通电阻和开关特性的晶体管设计方法，这些方法可有效优化损耗并防止局部热点产生。最后，讨论了当前策略发展的主要挑战，并为晶体管级热管理的未来发展提供指导。这些已验证或待验证的概念有望实现高效热管理，推动（超）宽禁带功率电子器件的跨越式发展。研究成果以“Transistor-level thermal management in wide and ultra-wide bandgap power semiconductor transistors: A review”为题发表在《International Journal of Thermal Sciences》期刊。

图文导读

图1. WBG功率半导体晶体管晶体管级热管理示意图。

图2.（a）SiC MOSFET、（b）GaN HEMT、（c）β-Ga2O3 MOSFET和（d）Rth功率晶体管热阻网络的示意图。

图 3(a) 利用薄膜制造技术实现金刚石与 GaN/III-N 集成的方法。微波等离子体辅助化学气相沉积生长开始时，GaN/III-N 薄膜位移场的数值模型（单位：微米，z 轴缩放 10 倍以清晰显示）[71]；(b) 采用种子点胶法在 GaN 衬底上制备金刚石的示意图：(I) GaN-on-Si 衬底，(II) 深蚀刻孔洞，(III) 同时使用金刚石纳米和微米种子进行点胶，(IV) 微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）金刚石生长，(V) 金刚石抛光（版权所有 © 2021，美国化学会）[73]；(c) 在功率密度为 15 W/mm 时，有无金刚石散热器的器件热分布（左图）；器件峰值温度与金刚石热导率及金刚石和 GaN 之间热边界电阻的关系（右图）。

图4. (a) 附着在 AlGaN/GaN HEMT 漏极接触上的石墨烯基散热片示意图；(b) 有无石墨烯基散热片的 AlGaN/GaN HFET 的温度分布 [82]；(c) 热优化的含金刚石倒装芯片结构；(d) 倒装芯片集成方案的热优化过程。

图5. (a) 典型半导体和高热导材料的室温热导率与德拜温度；(b) 典型半导体和高热导材料的室温热导率与热膨胀系数。

图6. (a) 用于制备 Ga₂O₃复合晶圆的晶圆键合和减薄方法（版权所有 © 2021，美国化学会）[109]；(b) 在复合衬底上制备的 Ga₂O₃ MOSFET 的横截面示意图；(c) 实际和理想 6 指器件的温升比较；(d) 在复合衬底和体 Ga₂O₃晶圆上制备的 MOSFET 在 L GD=55 μm 时的稳态沟道温升（版权所有 2023，美国化学会）[110]；(e) 采用键合优先理念的 GaN/3C-SiC / 金刚石 HEMT 的转移和制造过程；(f) 在 P diss=8 W/mm 时，Si、SiC 和金刚石上的 GaN HEMT 的温度分布；(g) 不同衬底上的 GaN HEMT 的栅极边缘温升与 P diss 的关系 [115]；(h) 单栅 Ga₂O₃晶体管的最高温度和功率密度 [118]；(i) GaN-BAs 结构的横截面 SEM（左）和高分辨率 TEM（右）图像，显示原子级分辨界面；(j) 两种最佳热导体（BAs 和金刚石）的热点温度随加热尺寸（从 100 μm 到 100 nm）的模拟结果；(k) 通过拉曼光谱在漏极侧、距 T 栅极边缘 0.5 μm 处测量的 GaN 温度与功率密度的关系图。

图7. (a) 垂直电流 WBG 半导体晶体管的三种嵌入式冷却概念（概念源自参考文献 [136]）；(b) 微通道示意图；(c) 微通道的制造过程 [139]。

图8. (a) 双侧冷却方案示意图；(b) 不同热管理方案的 ΔT 和最大功率处理能力（P max）。

图9. (a) 声子传输示意图，显示界面处特定模式的透射和反射概率；(b) 界面的稳态温度分布；(c) 非金属 / 非金属界面的热载流子传输示意图；(d) 金属 / 非金属界面的热载流子传输示意图。虚线表示拟合温度（T fic），红线表示声子温度（T ph），蓝线表示冷却温度（T c），绿线表示电子温度（T e）。

图10. (a) Ga₂O₃与不同衬底界面的热边界导纳，彩色条为 [010] 和 [001] 方向的热边界导纳，黑点为它们的平均值；(b) 不同界面区域的热边界导纳与重叠能量的关系 [171]；(c) 机器学习原子势（MLIP）的基本步骤；(d) BAs 和 GaN 的声子态密度比较；(e) GaN-BAs 异质结构中的光谱热流，其中虚线表示界面，颜色表示归一化热流密度 [173]；(f) 具有扩散界面（上）和锐界面（下）的 Al/Si 的横截面 TEM 图像（比例尺为 2.5 nm）；(g) 锐界面（红色虚线）和扩散界面（蓝色虚线）的计算热导；(h) 锐界面（红色）和扩散界面（蓝色）的声子透射系数 [179]；(i) 和 (j) 保持 Si 层厚度分别为 10 nm 和 50 nm 时，Au/Si 金属 / 半导体双层膜的总热导率 [180]。

图11. (a) 范德华界面和共价键界面示意图；(b) Ga₂O₃- 金刚石范德华界面的热边界导纳 [181]；(c) Ga₂O₃/ 金刚石共价键界面的热边界导纳 [182]；(d) 具有三种不同键合材料的各种模型界面的温度分布和热流；(e) 三种具有不同键合材料的金刚石 - on-GaN 模型的光谱热流比较 [187]；(f) AlN 和金刚石在平面界面和 1-S3-H2 界面（尺寸为 2×2 nm2、高度为 3 nm 的纳米柱）的振动态密度（VDOS）比较 [192]；(g) β-Ga₂O₃不同取向与金刚石界面的热边界电阻值 [194]；(h) 不同晶向 β-Ga₂O₃的 O 原子分组图和 (i) 热导率谱；(j) 不同晶向金刚石的热导率谱（版权所有 © 2024，美国化学会）[175]；(k) 界面两侧 GaN 和 AlₓGa₁₋ₓN 之间的声子累积相关系数；(l) 温度分布对应变的依赖性；(m) 压缩应变下的声子参与率。

图12. (a) AS-TMOS 的轻掺杂 P 基厚度（tpb）对栅极端电通量的影响（插图为两种 TMOS 的电场分布）；(b) 两种 TMOS 的浪涌电压和关断开关损耗；(c) 在 800V 短路条件下 SiC AS-TMOS 和 C-TMOS 的电热模拟（版权所有 © 2023，IEEE）[208]；(d) NST-HEMT 的横截面示意图；(e) 在关态 VGS=0 V、VDS=650 V 下沿沟道的模拟电场分布 [220]；(f) 所研究的单指 MESFET 示意图；(g) 最高温度（T max）与栅长（0.5 至 1.5 μm）的关系，插图：最高温度与所有金属（源极、漏极和栅极）厚度（0.2 至 1 μm）的关系。

图13. (a) 带有纳米晶金刚石栅极场板的 Ga₂O₃ MOSFET 的横截面示意图；(b) 在功率耗散密度 P=1.4 W/mm、v GS=4 V 时，Ga₂O₃ MOSFET 的温度分布（从左到右分别为无场板器件、SiO₂场板器件和纳米晶金刚石场板器件）；(c) 在 v GS=4 V、功率耗散密度 P=1.4 W/mm 时，不同结构的 Ga₂O₃ MOSFET 沿沟道的电场分布。

图14. (a) 用于获取声子色散曲线的实验装置（4D EELS）示意图；(b) 测量的声子色散图以及 (c) 基于 DFPT 计算的沿 Γ–Σ–K–X 线的相应模拟结果，电子束分别位于 c-BN（左）、界面（中）和金刚石（右）；(d) 测量的和 (e) 计算的界面光谱与两种体材料光谱平均值的差异。

图15. (a) 三端热器件的概念图和结构；(b) 测量的热导（G）与栅极电压（Vg）的关系；(c) 在高达 100 万次栅极循环下，带有石墨烯的热器件在 2.5 V 之间的电栅极可逆性测试（G off 值为 10 MW/m2・K）。

作者信息

曹炳阳，清华大学航天航空学院教授，院长，国家杰青，国际先进材料学会Fellow，亚洲热科学联合会Founding Fellow，美国工程科学学会Fellow。曾获得教育部新世纪优秀人才支持计划、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、教育部自然科学一等奖、国际先进材料学会IAAM Medal、爱思唯尔高被引学者奖等荣誉。担任国防173重点项目首席科学家、国际传热大会常务理事会理事、国际传热传质中心科学理事会理事、亚洲热科学与工程联合会秘书长、中国航空教育学会常务理事、中国复合材料学会导热复合材料专业委员会副主任、中国工程热物理学会理事、中国工程热物理学会传热传质专业委员会委员、中国热管理产业技术创新战略联盟理事、中国航空学会燃烧与传热专业委员会委员、中国宇航学会空间能源专业委员会委员等学术职务。主要研究领域为微纳尺度传热、热功能材料及电子系统热管理，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家重大科技专项等三十多项课题，迄今发表SCI学术论文190余篇，担任ES Energy & Environment主编，Journal of Physics: Condensed Matter、Materials、Scientific Reports等9个国际期刊编委。

辛公明，男，工学博士，山东大学能源与动力工程学院教授，博士生导师，教育部高等学校能源动力类专业教学指导委员会委员、中国工程热物理学会传热传质分会热管专业委员会委员、山东省能源动力类专业教学指导委员会(含核工程类)副主任委员; 系山东省首批优秀创新团队—山东大学热科学创新团队核心成员；入选泰山产业领军人才。2004年7月-2008年5月曾赴瑞士日内瓦欧洲核子中心留学，参加丁肇中教授主持的国际大科学工程-AMS热系统设计研究。主持国家自然科学基金项目(3项)、山东省重大科技创新工程项目、山东省国际合作项目、教育部留学回国基金等多项纵横向科研课题，参与了包括国家973计划项目、科技部国际合作项目、山东省自主创新重大项目等重大科研课题研究。曾获教育部科技进步一等奖1项、山东省集体一等功1次，发表高水平论文80余篇，授权国家发明专利20余项。主持教育部第二批新工科研究与实践项目、山东省本科教学改革研究项目等国家级和省部级教研项目，曾获山东省教学成果二等奖2项、山东大学教学成果奖2项，系国家级一流本科专业负责人、山东省一流课程负责人，曾获“山东大学先进教育工作者”“山东大学教学能手”“我最喜爱的老师”“创新教育优秀工作者”等荣誉称号。主要研究方向包括：1）强化传热与节能技术；2）先进热管理；3）热管技术；4）微纳尺度流动传热；5）能源环境交叉问题等。

来源：DT半导体

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