據(jù)應(yīng)用物理快報報道，美國空軍科學(xué)研究實驗室青年研究人員計劃資助的美國伊利諾伊大學(xué)最近研究出一種簡單、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已經(jīng)從硅雙極型晶體管、場效應(yīng)管以及在移動通信領(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、高臨界擊穿電場等突出優(yōu)點，與剛石等半導(dǎo)體材料一起，被譽為是繼第一代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，成為發(fā)較快的寬禁帶器件。GaN功率管因其高擊穿電壓、高線性性能、高效率等優(yōu)勢，已經(jīng)在無線通信基站、廣播電視、電臺、干擾機(jī)、大功率雷達(dá)、電子對抗、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，引入線及管殼寄生參數(shù)對性能的影響很大，一致直接采用管殼外的匹配方法無法得到大的功率輸出甚至無法工作。解決方法就是在管殼內(nèi)引入內(nèi)匹配電路，因此內(nèi)匹配對發(fā)揮GaN功率管性能上的優(yōu)勢，有非常重要的現(xiàn)實意義。

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晶體管工作時也會產(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。美國伊利諾伊大學(xué)微納技術(shù)實驗室的Bayram團(tuán)隊研究出一種簡單、低成本的冷卻方法。

氮化鎵(GaN)研究發(fā)展方向

Bayram團(tuán)隊在熱仿真分析中證實，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。

考慮到熱量來源隨著晶體管柵尺寸降低至亞微米量級，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“通過減薄器件厚度，可以將高功率GaN晶體管發(fā)熱點的溫度降低50℃。”但對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?？紤]不同的TBR值，研究人員確定了降低GaN晶體管發(fā)熱點溫度的最佳外延層厚度。對于典型器件，GaN層最佳厚度約為1微米。GaN層厚度也同時取決于器件用途。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)計提供了指導(dǎo)。未來，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)計工作將會不斷與器件的設(shè)計工作將融合，也只有從整體的角度、從器件的最初設(shè)計時就開始考慮器件的散熱問題，器件的整體性能才是最優(yōu)的，成本也才是最低的。