據(jù)應(yīng)用物理快報(bào)報(bào)道，美國(guó)空軍科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室青年研究人員計(jì)劃資助的美國(guó)伊利諾伊大學(xué)最近研究出一種簡(jiǎn)單、低成本的新一代芯片——氮化鎵(GaN)芯片的冷卻方法。

氮化鎵(GaN)芯片背景介紹

微波功率器件近年來(lái)已經(jīng)從硅雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管以及在移動(dòng)通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的LDMOS管向以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶功率管過(guò)渡。SiC、GaN材料，由于具有寬帶隙、高飽和漂移速度、高臨界擊穿電場(chǎng)等突出優(yōu)點(diǎn)，與剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽(yù)為是繼第一代Ge、Si半導(dǎo)體材料、第二代GaAs、InP化合物半導(dǎo)體材料之后的第三代半導(dǎo)體材料。

在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。SiC功率器件在C波段以上受頻率的限制，也使其使用受到一定的限制;GaN功率管因其大功率容量等特點(diǎn)，成為發(fā)較快的寬禁帶器件。GaN功率管因其高擊穿電壓、高線(xiàn)性性能、高效率等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在無(wú)線(xiàn)通信基站、廣播電視、電臺(tái)、干擾機(jī)、大功率雷達(dá)、電子對(duì)抗、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和良好的使用前景。

GaN大功率的輸出都是采用增加管芯總柵寬的方法來(lái)提高器件的功率輸出，這樣使得管芯輸入、輸出阻抗變得很低，引入線(xiàn)及管殼寄生參數(shù)對(duì)性能的影響很大，一致直接采用管殼外的匹配方法無(wú)法得到大的功率輸出甚至無(wú)法工作。解決方法就是在管殼內(nèi)引入內(nèi)匹配電路，因此內(nèi)匹配對(duì)發(fā)揮GaN功率管性能上的優(yōu)勢(shì)，有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

研究背景

GaN晶體管比傳統(tǒng)硅晶體管功率密度更高，可承受的工作溫度更高(～500℃)，但與所有半導(dǎo)體器件一樣，GaN晶體管工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多余熱量，從而影響其電性能。

基于熱沉和風(fēng)扇的冷卻方法增大了成本和體積。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)微納技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的Bayram團(tuán)隊(duì)研究出一種簡(jiǎn)單、低成本的冷卻方法。

氮化鎵(GaN)研究發(fā)展方向

Bayram團(tuán)隊(duì)在熱仿真分析中證實(shí)，GaN層厚度能夠影響器件散熱，最終影響器件性能。結(jié)論是GaN層越薄溫度越低。

傳統(tǒng)GaN晶體管制造于硅或碳化硅(SiC)等較厚襯底上，這不利于器件導(dǎo)熱。在傳統(tǒng)襯底上外延GaN存在晶格不匹配的困難，導(dǎo)致器件厚度達(dá)到幾十、甚至幾百微米。這非常不利于芯片散熱。

考慮到熱量來(lái)源隨著晶體管柵尺寸降低至亞微米量級(jí)，采用智能切割或剝離等新型方法，可以將GaN晶體管與多余的外延層分離，從而擺脫厚襯底的影響，改善器件的熱管理能力。

Bayram表示“通過(guò)減薄器件厚度，可以將高功率GaN晶體管發(fā)熱點(diǎn)的溫度降低50℃。”但對(duì)器件減薄程度是有限制的。如果減掉太多，器件內(nèi)部溫度會(huì)提高，效果反而不好。

GaN層厚度與器件邊界熱阻(TBR)有關(guān)，即GaN與其他外延材料之間的熱邊界條件。考慮不同的TBR值，研究人員確定了降低GaN晶體管發(fā)熱點(diǎn)溫度的最佳外延層厚度。對(duì)于典型器件，GaN層最佳厚度約為1微米。GaN層厚度也同時(shí)取決于器件用途。如果用于高功率應(yīng)用，厚度需更薄，達(dá)到亞微米。

氮化鎵(GaN)研究意義及應(yīng)用

（GaN器件厚度與溫度變化表）

此研究為基于GaN的晶體管熱管理設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。未來(lái)，還將進(jìn)一步研究GaN層的電學(xué)特性，使得在金剛石或外延石墨烯襯底上制造GaN晶體管成為可能。基于GaN的功率器件具有導(dǎo)通電阻低和能夠進(jìn)行高頻操作等特性。而這些特性恰恰有利于提高部件單元轉(zhuǎn)換效率，并使產(chǎn)品單元更加緊湊。

從該新方法的研究我們也可以看出，隨著技術(shù)的發(fā)展，熱設(shè)計(jì)工作將會(huì)不斷與器件的設(shè)計(jì)工作將融合，也只有從整體的角度、從器件的最初設(shè)計(jì)時(shí)就開(kāi)始考慮器件的散熱問(wèn)題，器件的整體性能才是最優(yōu)的，成本也才是最低的。