由西安電子科技大學(xué)的郝躍院士、張進(jìn)成教授研究團(tuán)隊在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)布了一篇名為 Recent Advances in Device-Level Thermal Management Technologies for Wide Bandgap Semiconductor: A Review（寬禁帶半導(dǎo)體器件級熱管理技術(shù)的新進(jìn)展：綜述）的文章，其中西安電子科技大學(xué)馮欣副教授，周弘教授、張進(jìn)成教授為論文共同通訊作者。

1. 項目支持

本研究工作由國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃項目，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和西安電子科技大學(xué)學(xué)科交叉拓展特支計劃項目進(jìn)行資助。

2. 背景

寬禁帶半導(dǎo)體因其優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)，已在電力電子與射頻領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，尤其在無線通訊、智能電網(wǎng)、高速軌道交通及工業(yè)電子領(lǐng)域。2023 年全球氮化鎵（GaN）功率器件市場規(guī)模達(dá) 175 億美元，預(yù)期年增長率達(dá) 22.5%，其中商用 GaN 產(chǎn)品持續(xù)迭代升級，相繼推出具備更高品質(zhì)因數(shù)、更高能量轉(zhuǎn)換效率及更高開關(guān)頻率的新型功率開關(guān)器件。例如，英特爾公司于 2023 年 IEDM 會議報道了基于 300 mm 硅基 GaN 的單片集成工藝，實現(xiàn)業(yè)界首款 CMOS 驅(qū)動-GaN 功率開關(guān)技術(shù)。富士通公司發(fā)布大功率射頻 GaN HEMT 器件，在 X 波段實現(xiàn) 1470 mA/mm 的漏極電流、24.4 W/mm 的創(chuàng)紀(jì)錄輸出功率密度及 110 V 工作電壓。之后 2024 年該公司又進(jìn)一步采用熱化學(xué)氣相沉積工藝制備出碳化硅基 GaN HEMT，在 X 波段 90 V 工作電壓下其器件功率密度提升至 31.0 W/mm。

3. 摘要

寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體器件憑借其更高擊穿電壓和更低導(dǎo)通電阻的特性，相較硅基器件展現(xiàn)出顯著性能優(yōu)勢，在電能轉(zhuǎn)換及通信領(lǐng)域具有強勁競爭力。其中，代表性寬禁帶材料 GaN 已步入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段，而以氧化鎵為核心的新一代超寬禁帶半導(dǎo)體近十年來已成為電力電子功率應(yīng)用的研究熱點。然而，這些先進(jìn)半導(dǎo)體器件的核心挑戰(zhàn)在于高功率應(yīng)用場景下的熱管理問題——散熱失效將導(dǎo)致電氣性能嚴(yán)重退化與長期可靠性衰減，因此亟需發(fā)展高效熱管理技術(shù)。本文系統(tǒng)綜述寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體器件熱管理技術(shù)的最新進(jìn)展，涵蓋從器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化（包括版圖優(yōu)化、襯底減薄、高熱導(dǎo)率襯底鍵合與覆層）至外部熱增強策略（如倒裝芯片封裝、微通道主動冷卻及瞬態(tài)熱管理技術(shù)）的全鏈條技術(shù)體系。本文深入探討了當(dāng)前技術(shù)瓶頸、潛在解決方案及未來發(fā)展機遇，旨在突破關(guān)鍵散熱技術(shù)壁壘，推動寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體的深度產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4. 展望

盡管現(xiàn)有冷卻技術(shù)在當(dāng)前熱管理策略中成效顯著，但推動大功率器件發(fā)展仍需新思路與方法。本文提出以下熱管理領(lǐng)域潛在研究方向：1). 當(dāng)前的主動冷卻技術(shù)主要涉及諸如微通道冷卻等液體冷卻技術(shù)，其面臨一系列問題包括電氣隔離性差和泄漏風(fēng)險。因此，一種新型固態(tài)主動冷卻技術(shù)有望為器件穩(wěn)定性提供堅實保障。電卡制冷材料在施加外部電壓下呈現(xiàn)吸熱或放熱行為，可被集成在器件底部或表面以在芯片層級形成高效冷卻器。此外，該技術(shù)通過沉積策略與標(biāo)準(zhǔn)器件制造工藝兼容，展現(xiàn)出工藝簡單和制造成本低等優(yōu)勢。2). PN結(jié)型半導(dǎo)體可基于珀爾帖效應(yīng)在芯片背面構(gòu)建小型熱電制冷單元，從而為功率芯片產(chǎn)生冷卻效果。通過熱電材料沉積、光刻、蝕刻和金屬沉積工藝，該微型熱電制冷單元能夠在芯片背面制成。當(dāng)然，這些技術(shù)仍需進(jìn)一步優(yōu)化以實現(xiàn)最大化的冷卻效果。

總之，為實現(xiàn)卓越散熱并加速寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體的深度工業(yè)化，相關(guān)功率器件應(yīng)從熱管理視角進(jìn)行設(shè)計。例如采用適當(dāng)?shù)臉?gòu)型配置、集成高導(dǎo)熱封裝材料、實施基底冷卻工程，以全面提升散熱能力。預(yù)計這些方面的主要進(jìn)展將實質(zhì)性推進(jìn)寬禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體在大功率應(yīng)用中的快速發(fā)展。

圖 1. （a）GaN HEMT 和（b）Ga₂O₃ MOSFET 的熱耗散路徑及等效熱阻模型。

圖2. 寬帶禁帶與超寬禁帶半導(dǎo)體器件先進(jìn)熱管理技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3562506

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號