新的氮化鎵（GaN）熱控制方法

伊利諾伊大學(xué)研究人員開發(fā)出新的氮化鎵（GaN）熱控制方法。

GaN晶體管比傳統(tǒng)的硅晶體管具有更高的功率密度，可以在較高溫度下運(yùn)行（500℃以下），但像所有半導(dǎo)體那樣，GaN晶體管也產(chǎn)生過多的熱量，這會(huì)限制他們的性能。

基于散熱器和風(fēng)扇的冷卻方法增加成本和體積。現(xiàn)在，一個(gè)來自伊利諾伊大學(xué)微納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種新的方法，他們聲稱該方法簡(jiǎn)單而且低成本。

采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，坎·拜拉姆的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明，GaN層的厚度在過熱中起很大作用，影響設(shè)備的熱預(yù)期和最終性能。

“越薄、越冷，” 拜拉姆說，“傳統(tǒng)的GaN晶體管沉積在厚襯底上（例如硅、碳化硅），但這不是理想的熱導(dǎo)體。拜拉姆指出，挑戰(zhàn)在于GaN在傳統(tǒng)基板上外延不匹配，這導(dǎo)致數(shù)十微米厚的裝置，并且在多數(shù)情況下達(dá)到數(shù)百微米。

“這對(duì)散熱來說影響極差，考慮到熱源隨著柵極縮小在亞微米級(jí)，” 拜拉姆說。使用新穎的半導(dǎo)體釋放方法，如智能切割和剝落，一個(gè)可以從其余的外延和厚的基板釋放的GaN晶體管，就可以從改進(jìn)熱控制中獲益。

“通過細(xì)化設(shè)備層，可以降低大功率GaN晶體管50攝氏度的熱點(diǎn)溫度?！?拜拉姆說。

該研究領(lǐng)導(dǎo)者柯洪·帕克認(rèn)為設(shè)備厚度有一個(gè)極限。“如果你減少了太多，就會(huì)得到反效果，實(shí)際上增加了設(shè)備內(nèi)部的溫度，”帕克說。對(duì)典型器件而言，最佳厚度證明是一微米左右。

他們說，這項(xiàng)工作是很重要的，因?yàn)樗峁┝薌aN基晶體管的熱控制設(shè)計(jì)指導(dǎo)方針。最優(yōu)層尺寸與設(shè)備的界面熱阻（TBR）緊密相關(guān)，TBR是GaN外延層和其他的接口存在的一個(gè)條件。

帕克表示，“我們根據(jù)TBR的不同價(jià)值確定了減少GaN晶體管熱點(diǎn)溫度的最佳厚度。此外，層的大小取決于設(shè)備將如何使用。如果它是為更高的功率應(yīng)用，那么理想情況你需要更薄，亞微米厚的層。”

伊利諾斯團(tuán)隊(duì)下一步是在襯底上實(shí)際制造GaN晶體管之前，研究 GaN 層的電學(xué)性質(zhì)，諸如工程鉆石和外延石墨烯。

伊利諾斯的研究由空軍科學(xué)研究局（AFOSR）青年研究項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：FA9550-16-1-0224資助；結(jié)果發(fā)表在2016年10月10日應(yīng)用物理快報(bào)B1版面。