据应用物理快报报道，美国空军科学研究实验室青年研究人员计划资助的美国伊利诺伊大学最近研究出一种简单、低成本的新一代芯片——氮化镓(GaN)芯片的冷却方法。

氮化镓(GaN)芯片背景介绍

微波功率器件近年来已经从硅双极型晶体管、场效应管以及在移动通信领域被广泛应用的LDMOS管向以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)为代表的宽禁带功率管过渡。SiC、GaN材料，由于具有宽带隙、高饱和漂移速度、高临界击穿电场等突出优点，与刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。

在光电子、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广阔的前景。SiC功率器件在C波段以上受频率的限制，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点，成为发较快的宽禁带器件。GaN功率管因其高击穿电压、高线性性能、高效率等优势，已经在无线通信基站、广播电视、电台、干扰机、大功率雷达、电子对抗、卫星通信等领域有着广泛的应用和良好的使用前景。

GaN大功率的输出都是采用增加管芯总栅宽的方法来提高器件的功率输出，这样使得管芯输入、输出阻抗变得很低，引入线及管壳寄生参数对性能的影响很大，一致直接采用管壳外的匹配方法无法得到大的功率输出甚至无法工作。解决方法就是在管壳内引入内匹配电路，因此内匹配对发挥GaN功率管性能上的优势，有非常重要的现实意义。

研究背景

GaN晶体管比传统硅晶体管功率密度更高，可承受的工作温度更高(～500℃)，但与所有半导体器件一样，GaN晶体管工作时也会产生多余热量，从而影响其电性能。

基于热沉和风扇的冷却方法增大了成本和体积。美国伊利诺伊大学微纳技术实验室的Bayram团队研究出一种简单、低成本的冷却方法。

氮化镓(GaN)研究发展方向

Bayram团队在热仿真分析中证实，GaN层厚度能够影响器件散热，最终影响器件性能。结论是GaN层越薄温度越低。

传统GaN晶体管制造于硅或碳化硅(SiC)等较厚衬底上，这不利于器件导热。在传统衬底上外延GaN存在晶格不匹配的困难，导致器件厚度达到几十、甚至几百微米。这非常不利于芯片散热。

考虑到热量来源随着晶体管栅尺寸降低至亚微米量级，采用智能切割或剥离等新型方法，可以将GaN晶体管与多余的外延层分离，从而摆脱厚衬底的影响，改善器件的热管理能力。

Bayram表示“通过减薄器件厚度，可以将高功率GaN晶体管发热点的温度降低50℃。”但对器件减薄程度是有限制的。如果减掉太多，器件内部温度会提高，效果反而不好。

GaN层厚度与器件边界热阻(TBR)有关，即GaN与其他外延材料之间的热边界条件。考虑不同的TBR值，研究人员确定了降低GaN晶体管发热点温度的最佳外延层厚度。对于典型器件，GaN层最佳厚度约为1微米。GaN层厚度也同时取决于器件用途。如果用于高功率应用，厚度需更薄，达到亚微米。

氮化镓(GaN)研究意义及应用

（GaN器件厚度与温度变化表）

此研究为基于GaN的晶体管热管理设计提供了指导。未来，还将进一步研究GaN层的电学特性，使得在金刚石或外延石墨烯衬底上制造GaN晶体管成为可能。基于GaN的功率器件具有导通电阻低和能够进行高频操作等特性。而这些特性恰恰有利于提高部件单元转换效率，并使产品单元更加紧凑。

从该新方法的研究我们也可以看出，随着技术的发展，热设计工作将会不断与器件的设计工作将融合，也只有从整体的角度、从器件的最初设计时就开始考虑器件的散热问题，器件的整体性能才是最优的，成本也才是最低的。