隨著新型半導(dǎo)體材料的研究和應(yīng)用，微納電子器件的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。散熱問(wèn)題成為阻礙高性能大功率電子器件發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。比如，對(duì)于氮化鎵射頻器件，結(jié)點(diǎn)溫度每上升10℃，器件的平均壽命就會(huì)下降為原來(lái)的一半，過(guò)高的工作溫度將嚴(yán)重影響器件的性能和可靠性。隨著半導(dǎo)體器件向緊湊化和高度集成化發(fā)展，先進(jìn)熱管理技術(shù)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

圖1. 高效熱管理技術(shù)在半導(dǎo)體器件中具有重大意義。

北京大學(xué)集成電路學(xué)院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心黃如院士-程哲研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合諾獎(jiǎng)得主天野浩院士在《Applied Physics Reviews》上發(fā)表了（超）寬禁帶半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子器件冷卻的綜述論文，文章聚焦半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)在電子熱管理研究中的四個(gè)關(guān)鍵方向：

（1）晶圓級(jí)高質(zhì)量（超）寬禁帶半導(dǎo)體晶體材料生長(zhǎng). 高質(zhì)量和高純度材料的生長(zhǎng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性至關(guān)重要。文章提供了高導(dǎo)熱材料的最新測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)和晶片尺寸的總結(jié)。

圖2. 各種半導(dǎo)體材料的導(dǎo)熱系數(shù)和晶圓尺寸。

（2）針對(duì)電子器件熱管理的異質(zhì)集成技術(shù). 僅僅提高半導(dǎo)體材料的質(zhì)量并不能充分解決電子器件的散熱難題，對(duì)于器件復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)，需要充分利用半導(dǎo)體鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)（超）寬禁帶半導(dǎo)體與高導(dǎo)熱材料的高效緊密結(jié)合。文章探討了（超）寬禁帶半導(dǎo)體中常用的親水鍵合(Hydrophobic bonding)、等離子體鍵合(Plasma bonding)、表面活化鍵合(Surface-activated bonding SAB)和智能切割(Smart-cut)技術(shù)等異質(zhì)鍵合方法，并對(duì)不同方法制備的（超）寬禁帶半導(dǎo)體的界面TBC進(jìn)行了較為全面的總結(jié)對(duì)比。

圖3.不同鍵合方法的總結(jié)。

（3）界面熱阻的先進(jìn)熱表征技術(shù)、增強(qiáng)界面?zhèn)鳠岬膶?shí)驗(yàn)和理論探究及界面局域聲子模的理論理解. 對(duì)于微納米電子器件，界面熱阻成為制約器件散熱的關(guān)鍵熱阻來(lái)源。特別是對(duì)于局域熱點(diǎn)的均熱問(wèn)題，如何研究和降低界面熱阻成為下一步技術(shù)發(fā)展的核心。文章總結(jié)了界面熱阻的測(cè)量技術(shù)，以及現(xiàn)有文獻(xiàn)中的界面熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，討論了降低界面熱阻的技術(shù)方案，最后從界面聲子物理機(jī)制出發(fā)，討論了近年來(lái)在界面熱阻的理論理解方面的進(jìn)展。

（4）電子器件上的異質(zhì)結(jié)構(gòu)冷卻方法的模擬和實(shí)驗(yàn)研究. 在電子器件的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)有限元模擬和解析解等方法，可以實(shí)現(xiàn)器件級(jí)模擬，預(yù)測(cè)器件在實(shí)際工作條件下的溫度分布。文章調(diào)研了多指器件的熱串?dāng)_效應(yīng)、不同的器件冷卻策略(頂部、底部以及雙面冷卻）以及界面熱阻對(duì)溫度分布的影響等多項(xiàng)模擬工作，并通過(guò)熱反射測(cè)溫法，柵極電阻測(cè)溫法等分析了在實(shí)際器件上應(yīng)用多種不同散熱技術(shù)的實(shí)驗(yàn)演示工作，更加直觀地揭示和評(píng)估了各材料、結(jié)構(gòu)和散熱技術(shù)的冷卻效果。

最后，文章通過(guò)系統(tǒng)性討論上述關(guān)鍵領(lǐng)域的最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論發(fā)展，確定了電子器件冷卻中存在的重要挑戰(zhàn)，并提出了潛在的未來(lái)研究方向，為電子器件的器件級(jí)熱管理領(lǐng)域的研究者提供了可供參考的指南。

文章作者包括北京大學(xué)程哲研究員、博士生黃子豐、黃如院士；日本名古屋大學(xué)Jia Wang研究助理教授、Kazuki Ohnishi博士后、天野浩院士；美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校博士生Jinchi Sun；美國(guó)猶他大學(xué)Tianli Feng助理教授；日本大阪公立大學(xué)Jianbo Liang副教授。相關(guān)工作得到了北京大學(xué)集成電路學(xué)院學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)和北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心學(xué)科建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。