半導(dǎo)體技術(shù)的前幾十年基本上建立在第一代半導(dǎo)體材料（鍺、硅）和第二代半導(dǎo)體材料（傳統(tǒng)的三五族化合物，比如砷化鎵）上。這些材料的禁帶寬度都在 2.3 eV 以下。即使寬的禁帶寬度意味著能承受更高的擊穿電壓、更節(jié)能、所需材料更少，寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展一直很艱難。直到十九世紀(jì)八十年代后期到九十年代，氮化鎵生長(zhǎng)和參雜技術(shù)的突破帶來(lái)了光電器件的革命，隨后也被用于電子器件。碳化硅在電子器件方面的研究則稍早于氮化鎵。以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體電子器件在 2000 年以后，特別是 2010 年之后，開(kāi)始走向成熟，在功率和射頻器件領(lǐng)域產(chǎn)生一系列技術(shù)革新：能源基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源轉(zhuǎn)化器、國(guó)防雷達(dá)和電子戰(zhàn)技術(shù)、衛(wèi)星通訊。這里，區(qū)別三代半導(dǎo)體的主要標(biāo)準(zhǔn)是其禁帶寬度。近來(lái)隨著 5G 通訊的發(fā)展，基于第三代半導(dǎo)體的射頻器件正大規(guī)模應(yīng)用于5G 基站。同時(shí)，射頻和功率器件將大規(guī)模應(yīng)用于電動(dòng)汽車的傳感通信和電源轉(zhuǎn)化。相比于硅器件，氮化鎵器件的延時(shí)可以減少十倍以上并且體積更加緊湊和節(jié)能。在應(yīng)用需求的催生下，相關(guān)器件的頻率和功率也越來(lái)越高，熱管理成為制約器件穩(wěn)定性和壽命的一個(gè)技術(shù)瓶頸。

近年來(lái)，各國(guó)政府在大力投入第三代半導(dǎo)體的同時(shí)，也加大了對(duì)比第三代半導(dǎo)體禁帶寬度更大的超寬禁帶半導(dǎo)體的投入。超寬禁帶半導(dǎo)體，比如氧化鎵、氮化鋁、金剛石和氮化硼，也迎來(lái)了很多技術(shù)突破。其中以氧化鎵為代表的半導(dǎo)體器件在某些方面可能超越氮化鎵和碳化硅器件，有望成為世界上第七大半導(dǎo)體技術(shù)，得到了大量的關(guān)注。當(dāng)然，氧化鎵也存在很多的技術(shù)挑戰(zhàn)，比如低導(dǎo)熱系數(shù)和 p 型參雜。氧化鎵器件的熱管理將成為其是否能規(guī)模化發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。

半導(dǎo)體器件中的產(chǎn)熱和熱管理

半導(dǎo)體電子器件都會(huì)有焦耳熱的產(chǎn)生，電學(xué)特性往往是和熱學(xué)和力學(xué)相耦合的，所以熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)協(xié)同設(shè)計(jì)成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。下面以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）為例，討論近節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)熱和熱管理。最新的金剛石基底 GaN HEMT 的近節(jié)點(diǎn)熱流密度可以達(dá)到太陽(yáng)表面熱流密度的十倍以上。節(jié)點(diǎn)溫度直接關(guān)系到器件的壽命和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響整個(gè)設(shè)備的可靠性。如圖 1 所示，柵極附近有大的電壓變化，熱點(diǎn)存在于節(jié)點(diǎn)附近。柵極附近產(chǎn)生的熱通過(guò)高導(dǎo)熱襯底散熱/均熱。從熱源到熱沉的熱阻有氮化鎵層的熱阻，氮化鎵與襯底的界面熱阻，還有襯底的熱阻。對(duì)于特定的器件結(jié)構(gòu)，氮化鎵層的熱阻無(wú)法改變。所以研究集中在后兩個(gè)熱阻的減小上面。對(duì)于 GaN HEMT，在一些重要應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅襯底的器件（GaN-on-SiC）正在逐步取代硅襯底（GaN-on-Si），一個(gè)重要的原因就是考慮到碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)（380 W·m-1·K-1）大于硅的導(dǎo)熱系數(shù)（149 W·m-1·K-1）。

圖1. 基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管的示意圖和節(jié)點(diǎn)附近的電場(chǎng)分布。熱點(diǎn)位于柵極附近。

使用比碳化硅導(dǎo)熱系數(shù)更高的金剛石作為襯底來(lái)散熱，金剛石襯底的氮化鎵器件（GaN-on-diamond）也發(fā)展了十幾年，其中的難點(diǎn)仍在于金剛石的質(zhì)量和金剛石和氮化鎵異質(zhì)結(jié)合的界面熱阻。GaN-on-diamond 目前的工藝是在硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵器件，然后把硅襯底腐蝕掉。在去掉硅暴露出來(lái)的氮化鎵上面生長(zhǎng)一層保護(hù)層之后，直接在上面利用氣相沉積法生長(zhǎng)金剛石。接近氮化鎵界面處的金剛石是納米晶體，其導(dǎo)熱系數(shù)只有數(shù)十W·m-1·K-1，遠(yuǎn)小于金剛石單晶體的導(dǎo)熱系數(shù)（>2000 W·m-1·K-1）。氮化鎵上面生長(zhǎng)的保護(hù)層也增加了氮化鎵和金剛石之間的界面熱阻。

超寬禁帶半導(dǎo)體，比如β相氧化鎵（β-Ga2O3）由于近十年來(lái)晶體生長(zhǎng)技術(shù)的突破，氧化鎵可以從熔體中生長(zhǎng)大單晶，有望大規(guī)模供應(yīng)成本低廉的單晶體。氧化鎵的超寬禁帶使其擁有高擊穿電壓，而且氧化鎵的n型參雜表現(xiàn)優(yōu)異，歐姆和肖特基接觸也可以使用常規(guī)金屬。但是相比于其他的寬禁帶半導(dǎo)體材料，氧化鎵由于其復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其導(dǎo)熱很低（10-27 W·m-1·K-1）而且具有很強(qiáng)的各向異性。散熱問(wèn)題將會(huì)是阻礙大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)短板。所以，要想將器件中的熱量導(dǎo)出，需要使用高導(dǎo)熱系數(shù)的襯底。如圖1所示，柵極附近產(chǎn)生的熱量通過(guò)高導(dǎo)熱襯底散熱需要經(jīng)過(guò)的熱阻包括氧化鎵本身的熱阻。因?yàn)檠趸墝?dǎo)熱系數(shù)低，自身的熱阻就很大，所以需要減小氧化鎵的厚度來(lái)減小熱阻。如果在氧化鎵襯底上面直接生長(zhǎng)氧化鎵器件將導(dǎo)致熱積累而出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)于其他的超寬禁帶半導(dǎo)體除了氧化鎵，氮化鋁鎵由于是合金所以導(dǎo)熱系數(shù)也只有幾十W/(m·K)，但是氮化硼、氮化鋁和金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)卻很高。

高界面熱導(dǎo)的異質(zhì)鍵合界面

如圖1所示，器件上面的熱點(diǎn)通過(guò)高導(dǎo)熱襯底散熱，需要經(jīng)過(guò)三個(gè)熱阻：半導(dǎo)體器件自身的熱阻、器件和襯底的熱阻、襯底的熱阻。一旦器件和襯底選定，它們的熱阻就是固定值，而界面熱阻占總熱阻的很大一部分并且可以通過(guò)研究來(lái)降低，所以下面的討論重點(diǎn)放在界面熱阻上。

為了將高導(dǎo)熱材料結(jié)合到熱點(diǎn)附近，近年來(lái)作者和合作者們研究了一系列的異質(zhì)鍵合界面的界面熱導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)常溫直接鍵合技術(shù)可以將氮化鎵和氧化鎵直接在常溫下鍵合到高導(dǎo)熱襯底上，并且鍵合的界面具有高界面熱導(dǎo)，這為相關(guān)器件的散熱提供了除了生長(zhǎng)以外的另外一條熱管理技術(shù)路線。我們成功把晶圓級(jí)別的氮化鎵和碳化硅鍵合在一起，其界面導(dǎo)熱達(dá)到了文獻(xiàn)中的最高值（230 MW/(m2·K)）。鍵合的界面不僅去掉了直接生長(zhǎng)界面所需的氮化鋁緩沖層的熱阻，也去掉了直接生長(zhǎng)界面附近低質(zhì)量氮化鎵，鍵合的氮化鎵具有高導(dǎo)熱系數(shù)。另外，我們將單晶體金剛石和氮化鎵在常溫下鍵合，得到了較高的界面熱導(dǎo)（92 MW/(m2·K)），計(jì)算結(jié)果顯示冷卻效果接近金剛石散熱效果的極限值。常溫鍵合還可以最大程度減小高溫操作可能帶來(lái)的熱應(yīng)力問(wèn)題。相比于在氮化鎵上使用氣相沉積法生長(zhǎng)多晶體或者納米晶體金剛石，鍵合法不需要保護(hù)層，增大了界面熱導(dǎo)。并且直接把單晶體金剛石鍵合到氮化鎵上面，導(dǎo)熱效率大幅度提升。最近加州大學(xué)洛杉磯分校的胡永杰課題組報(bào)道了把氮化鎵鍵合到砷化硼上面，并得到了高界面導(dǎo)熱（250 MW/(m2·K)），在某些工況下面散熱效果甚至超過(guò)了金剛石。

上面我們提到氧化鎵器件不僅需要高的界面熱導(dǎo)還需要自身很薄，所以作者和合作者們報(bào)道了使用離子切割來(lái)剝離納米級(jí)別的單晶體晶圓級(jí)別的氧化鎵薄膜異質(zhì)鍵合在高導(dǎo)熱襯底上，我們發(fā)現(xiàn)鍵合的界面具有高的界面熱導(dǎo)。同時(shí)，最近有模擬研究提出還可以使用雙面散熱，除了通過(guò)高導(dǎo)熱襯底，也可以額外通過(guò)柵極電極的金屬來(lái)均熱，從上方將一部分熱導(dǎo)出。

上面討論到的這些散熱策略有一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，那就是涉及到大量的界面?zhèn)鳠帷＿@包括不同材料之間的界面：金屬和半導(dǎo)體、半導(dǎo)體和半導(dǎo)體界面。不同生長(zhǎng)條件下的界面：鍵合、蒸鍍、濺射、分子束外延、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積法、氫化物氣相外延等等。總之，界面?zhèn)鳠釋?duì)于半導(dǎo)體器件的熱管理至關(guān)重要。

半導(dǎo)體器件中界面導(dǎo)熱的科學(xué)問(wèn)題

界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫猓航缑鎮(zhèn)鳠嵘婕暗讲煌哪芰枯d體、不同的輸運(yùn)機(jī)制、不同的界面結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。對(duì)于界面?zhèn)鳠岬睦斫庖恢笔且粋€(gè)難題。關(guān)于界面?zhèn)鳠岬睦碚摾斫猓铋_(kāi)始的擴(kuò)散失配模型（DMM）和聲學(xué)失配模型（AMM）假設(shè)聲子以一定的概率穿過(guò)界面，從而完成熱交換。這兩種模型無(wú)法考慮界面處的結(jié)構(gòu)，只是根據(jù)基于組成界面的兩個(gè)材料的聲子特性來(lái)計(jì)算聲子透射率，并且只能計(jì)算彈性過(guò)程。后來(lái)發(fā)展出來(lái)的原子格林方程（AGF）可以考慮界面的細(xì)節(jié)，但是很難計(jì)算非彈性過(guò)程對(duì)界面導(dǎo)熱的影響，并且計(jì)算量特別大。前面提到的模型都是基于朗道模型和聲子透射概率。DMM和AMM是基于聲子氣模型。然而界面處是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而且往往真實(shí)的界面會(huì)有很多的結(jié)構(gòu)混亂，這與聲子氣模型的完美周期性晶格假設(shè)是沖突的。AGF依然使用大塊體材料的聲子來(lái)描述界面導(dǎo)熱。所以界面處的熱傳輸理論需要更好的模型和物理理解。近年來(lái)，也有一些研究者提出一些改進(jìn)模型，比如混合失配模型，交叉界面弱耦合模型，最大透射模型，散射調(diào)節(jié)聲學(xué)失配模型，和非諧波非彈性模型等。

隨著分子動(dòng)力學(xué)應(yīng)用于界面?zhèn)鳠岬挠?jì)算，非彈性過(guò)程對(duì)界面熱導(dǎo)的貢獻(xiàn)可以被計(jì)算出來(lái)。更多更豐富的振動(dòng)模式在界面處被預(yù)測(cè)出來(lái)（界面聲子態(tài)），他們完全和構(gòu)成界面的材料本身的大塊體聲子特性非常不一樣，并且對(duì)界面?zhèn)鳠嵊泻艽蟮闹苯雍烷g接的貢獻(xiàn)。界面聲子態(tài)的理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證最近取得了很多的進(jìn)展。但是分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算本身是基于經(jīng)典力學(xué)，沒(méi)有辦法考慮量子效應(yīng)，對(duì)界面熱導(dǎo)的預(yù)測(cè)在低溫時(shí)影響較大。界面?zhèn)鳠岬挠?jì)算和使用的原子間作用勢(shì)能有非常大的關(guān)系，所以分子動(dòng)力學(xué)的結(jié)果往往只能做定性的分析。迄今為止，一個(gè)完整的基于第一性原理的計(jì)算界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ瓦€不存在，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

界面?zhèn)鳠岬膶?shí)驗(yàn)探索：實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，界面的元素混合、結(jié)構(gòu)混亂、界面結(jié)合力、化學(xué)鍵、晶體方向、粗糙度等等都會(huì)影響界面?zhèn)鳠帷５悄壳袄碚撚?jì)算很少有完整考慮這些因素的模型。這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面往往和模型計(jì)算的界面是不一樣的。這阻礙了對(duì)界面?zhèn)鳠岬睦斫狻２煌牟牧贤鶕碛胁灰粯拥木Ц癯?shù)，這導(dǎo)致界面處的原子并不是完美的排練，在真實(shí)的界面中結(jié)構(gòu)缺陷或者位錯(cuò)往往是不可避免的。所以，對(duì)界面的高精度的材料結(jié)構(gòu)表征的重要性被凸顯了出來(lái)。這些真實(shí)的界面結(jié)構(gòu)可以激發(fā)理論科學(xué)家對(duì)界面?zhèn)鳠岬睦斫狻Ｔ倥浜洗罅康膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)或者大數(shù)據(jù)的方法來(lái)尋找一個(gè)理解和預(yù)測(cè)界面?zhèn)鳠岬睦碚撃Ｐ蛯⒊蔀榭赡堋?/p>

目前實(shí)驗(yàn)測(cè)量的界面導(dǎo)熱數(shù)據(jù)非常有限，只有幾十個(gè)界面被測(cè)量過(guò)，其中絕大部分都是通過(guò)時(shí)域熱反射方法測(cè)量的。所以未來(lái)需要發(fā)展可以快速批量的自動(dòng)化測(cè)量界面導(dǎo)熱的方法。再者，目前的界面熱導(dǎo)測(cè)量仍然是基于經(jīng)典傅立葉定律的數(shù)據(jù)分析，未來(lái)是否可以發(fā)展出可以測(cè)量單個(gè)聲子模式的界面熱導(dǎo)的測(cè)量方法也是一個(gè)值得研究的方向。

原文信息

https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1958.O4.20211027.2033.009.html

（信息來(lái)源：物理學(xué)報(bào)、熱管理材料）