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伊利诺伊大学GaN基晶体管的热控制设计

2016-10-19

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  伊利诺伊大学研究人员开发出新的氮化镓(GaN)热控制方法。

  GaN晶体管比传统的硅晶体管具有更高的功率密度,可以在较高温度下运行(500℃以下),但像所有半导体那样,GaN晶体管也产生过多的热量,这会限制他们的性能。

  基于散热器和风扇的冷却方法增加成本和体积。现在,一个来自伊利诺伊大学微纳米技术实验室的研究团队创造了一种新的方法,他们声称该方法简单而且低成本。

  采用计算机辅助设计,坎·拜拉姆的团队已经证明,GaN层的厚度在过热中起很大作用,影响设备的热预期和最终性能。

  “越薄、越冷,” 拜拉姆说,“传统的GaN晶体管沉积在厚衬底上(例如硅、碳化硅),但这不是理想的热导体。拜拉姆指出,挑战在于GaN在传统基板上外延不匹配,这导致数十微米厚的装置,并且在多数情况下达到数百微米。

  “这对散热来说影响极差,考虑到热源随着栅极缩小在亚微米级,” 拜拉姆说。使用新颖的半导体释放方法,如智能切割和剥落,一个可以从其余的外延和厚的基板释放的GaN晶体管,就可以从改进热控制中获益。

  “通过细化设备层,可以降低大功率GaN晶体管50摄氏度的热点温度。” 拜拉姆说。

  该研究领导者柯洪·帕克认为设备厚度有一个极限。“如果你减少了太多,就会得到反效果,实际上增加了设备内部的温度,”帕克说。对典型器件而言,最佳厚度证明是一微米左右。

  他们说,这项工作是很重要的,因为它提供了GaN基晶体管的热控制设计指导方针。最优层尺寸与设备的界面热阻(TBR)紧密相关,TBR是GaN外延层和其他的接口存在的一个条件。

  帕克表示,“我们根据TBR的不同价值确定了减少GaN晶体管热点温度的最佳厚度。此外,层的大小取决于设备将如何使用。如果它是为更高的功率应用,那么理想情况你需要更薄,亚微米厚的层。”

  伊利诺斯团队下一步是在衬底上实际制造GaN晶体管之前,研究 GaN 层的电学性质,诸如工程钻石和外延石墨烯。

  伊利诺斯的研究由空军科学研究局(AFOSR)青年研究项目批准号:FA9550-16-1-0224资助;结果发表在2016年10月10日应用物理快报B1版面。



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