宽禁带半导体器件的热问题

Thermal Management of Gallium Nitride Electronics, 2022, edited by Marko J. Tadjer and Travis J. Anderson from US Naval Research Laboratory.

这本GaN电子器件热管理是今年刚刚出版的，主要是介绍了近十几年有关GaN热管理技术的进展，大部分的工作应该都是在美国国防部高级研究计划局（DARPA）的推动下进行的，覆盖了很多的内容.

GaN材料最早在1963年由美国柯达公司申请了专利，人们对GaN的研究兴趣来自于理论上可以证明GaN是可以制造出蓝光LED的，但由于用掺镁的GaN制造出的蓝光二极管发出的光太弱，而且对GaN器件的研究也始终没有突破，人们对GaN的兴趣一直都不是很大. 直到1980年代初，当时在日本松下电器研究所工作的赤崎勇和他的学生天野浩开始了有关GaN的研究，在1986年成功制造出了以前认为是不可能制造出的GaN晶体，1989年他们发现如果将电流通入GaN晶体，可以显著增加GaN的发光强度. 随后，日亚化学工业的研究员中村修二在他们的基础上进一步研究，在1993年制造出了高亮度的蓝光LED. 此后GaN基器件开始了迅速发展，也不仅仅局限在蓝光二极管了，他们三人也因为这项工作获得了2014年的诺贝尔物理学奖.

由于GaN的禁带宽度大且界面二维电子气的迁移率很高，GaN非常适合高频、高压、高功率应用，包括射频电路的功放装置，高功率场合下的高频开关，在5G无线通讯以及相控阵雷达中有着很适合的应用，因此除了商用价值外，GaN也具有很大的军事价值. 美国军方设立了很多项目资助GaN技术的开发，其中对于GaN器件的热可靠性问题，代表性的研究项目就是由DARPA在二十世纪末展开的. DARPA以项目经理的模式管理和驱动一个项目，其中Avi Bar-Cohen博士管理的近结热输运和片内/片间增强冷却两个项目，系统研究了GaN器件内部的近结热输运机理并开发了集成电路的嵌入式冷却方案，其他的工作比如金刚石高导热衬底的集成、拉曼和热反射成像技术，很多内容直到今天也是这一领域最具代表性的工作. 美国这方面的工作感觉大部分都有很强的电气背景，和实际器件以及业界结合也非常紧密，国内主要是能动或者热物理背景的人在做，半导体行业也比较疲软，这方面整体感觉明显要弱一些..

国内对GaN器件的研究开始于二十世纪九十年代末期，开拓性的比如西安电子科大郝跃院士早期的工作.

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（Spencer J A, Mock A L, Zhang Y. Heating issues in wide-bandgap semiconductor devices[M]//Thermal Management of Gallium Nitride Electronics. Woodhead Publishing, 2022: 1-19.）

第一章主要是对宽禁带半导体器件里的热问题和热管理方案做了一下概述.

器件运行中的产热

总体来说电子器件可以分为两大类，一类是低压器件，典型的比如硅基的电脑处理器、存储器这些东西，这类器件大家主要关注的问题是单独的晶体管的尺寸可以做到多小，一颗芯片上晶体管的集成度可以做到多高，以及处理速度可以达到多块，这类器件中的热问题因为没什么，大家并不太关注. 另一类就是高压、高功率器件，应用场合主要包括射频功放和功率切换装置（开关）. 这类器件的发展需求是逐步提高器件可承受的电场强度并减少器件工作时的能量耗散.

为什么宽禁带半导体很适合这类需求？一方面在理论上，器件能承受的最高电场取决于材料的击穿电压，而临界场强和材料的禁带宽度基本上是成幂律正比关系的， \[ E_c \propto E_g^{\gamma} \]

（Slobodyan O, Flicker J, Dickerson J, et al. Analysis of the dependence of critical electric field on semiconductor bandgap[J]. Journal of Materials Research, 2022: 1-17.）

下面这个表列出了几种经典半导体的禁带宽度和击穿场强，宽禁带半导体材料比如GaN是要比Si高出一个数量级的.

（Choi S, Graham S, Chowdhury S, et al. A perspective on the electro-thermal co-design of ultra-wide bandgap lateral devices[J]. Applied Physics Letters, 2021, 119(17): 170501.）

另一方面，理论上器件能承受的最高温度却决于什么时候半导体内部本征载流子浓度大于掺杂浓度，而本征载流子浓度也是直接和禁带宽度相关的，禁带宽度越大，本征载流子浓度就越小，因为更少的电子能够通过热运动获得足够多的能量克服禁带跃迁到导带中成为自由电子， \[ n_0 p_0 = 4 \left(\frac{k_0}{2\pi\hbar^2}\right)^3 (m_n^*m_p^*)^{3/2} T^3 \exp(-\frac{E_g}{k_0T}) \] 因此宽禁带和超宽禁带半导体是用作这类高压器件理想的材料，可以承受高场强、容许高电流密度、并且可以在高温下工作.

对于宽禁带半导体器件来说，一般研究热问题时都是假设器件处于稳态，输入给器件的直流能量全部转换为热能，而实际中的产热根据器件运行状态的不同是很不一样的. 宽禁带半导体器件主要有两类，一类是功率器件，另一类是射频器件.

功率器件主要是在电路里用作开关，理想的开关应该具有什么性质呢？导通时没有压降，电阻为0；关断时没有漏电，电阻为无穷大。而在实际器件中主要有三种能量损耗，导通时器件本身会存在一定的压降，关断时器件会有漏电，另外就是开关在切换时也会产生额外的损耗。对于应用场景的不同，很多时候器件的设计需要在这三方面的能量损耗中做出平衡.. 比如适合数据中心和快速充电器的超高频应用，就要尽可能降低切换时的能量损耗（GaN充电器到底是怎么充电的..？我一直没太弄清楚.. ）.

射频器件主要是用作功率放大器（PA），接收低功率的RF信号，输出高功率的信号，电工电子中学习的三极管. 设计RF器件时需要考虑到输出功率、阻抗匹配、效率、热耗散、以及增益压缩（..）. RF器件的功率耗散主要就体现在输出的功率小于直流提供的能量，剩下的部分就成为了产热.

其实从热的角度总结一下功率器件和射频器件的区别，就是功率器件工作时需要进行快速切换，而射频器件稳定工作在一个直流电压下. 假如都是一个工作在200V的器件，射频器件可能持续工作在一个100V的直流偏置下，而功率器件并不是工作在200V，而是要能够在关断的状态下抗住200V的电压.

热对器件特性和工作的影响

这里主要是讨论了几个方面的影响，

电气特性，主要是载流子迁移率。

运行状况，包括最大工作电流密度、最大运行温度、以及可靠性和鲁棒性。

我总感觉这里作者的思路没有整理的太清楚，或者我对这方面的内容理解比较有限，读了一遍我也很难领会到作者在写这一部分的组织逻辑是什么.. 于其说是热对device的影响，不如说更像是在介绍在GaN器件可靠性中大家主要关注哪些问题.

对载流子迁移率的影响

电场作用下电子会在器件内加速，同时又会和晶格发生碰撞，使得电子的能量或动量损失，然后重新加速. 当电子的数目很多时，会存在一个平均的漂移速度. 在弱电场情况下，平均漂移速度和电场强度成正比，这个比例系数就称之为电子迁移率. 显然迁移率和半导体的各种散射机制均相关. 在器件内部主要的散射机制包括声子散射和电离掺杂散射. 掺杂浓度越高，电离杂质散射强度越高，迁移率越低；温度越高，声子散射强度越高，迁移率也越低. 显然迁移率越高，电阻率越低，在相同电流强度下功耗就越小. 另一方面，迁移率越高，电子在源、漏之间的运动时间就越短，可容许的工作频率也就越大. 这里有一个我一直在思考的问题，如果弹道效应确实存在的话，为什么用纯傅里叶定律电热耦合仿真的DC IV曲线会和实验完全吻合？或许可以在这篇文章的基础上再做一些工作..

Chen X, Boumaiza S, Wei L. Self-heating and equivalent channel temperature in short gate length GaN HEMTs[J]. IEEE transactions on electron devices, 2019, 66(9): 3748-3755.

当温度升高，电流崩塌（current collapse）现象也会更加严重，电流崩塌在GaN HEMT器件可靠研究的早期是一个严重限制器件性能的问题，这种现象最初得名于在测量器件的DC输出曲线时，经过较高电压冲击后，器件的饱和电流密度和最大跨导减小，膝点电压和导通电阻上升的现象，比如像下面这张图里的红色和黑色的曲线.

（Rawal D S, Sharma S, Kapoor S, et al. Current collapse scaling in GaN/AlGaN/SiC high electron mobility transistors[J]. Solid State Electronics Letters, 2019, 1(1): 30-37.）

或许叫作self-heating的影响更加明显一些，

（Ranjan K, Arulkumaran S, Ng G I, et al. Investigation of self-heating effect on DC and RF performances in AlGaN/GaN HEMTs on CVD-diamond[J]. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2019, 7: 1264-1269.）

可靠性和鲁棒性

可靠性（reliability）和鲁棒性（robustness）是两个概念，可靠性是说器件在正常工作状态下能够稳定健康地运行多长时间，鲁棒性是说突然给器件一个异常输入，器件是否能够坚持住保持健康不坏掉. 可靠性，最经典的测试和指标就是mean time to failure （MTTF），平均失效时间， \[ MTTF \propto e^{\frac{E_a}{k}\left[\frac{1}{T} - \frac{1}{T_0}\right]} \] \(E_a\)是活化能，\(T_0\)是室温. 文献报道对于某一商用的GaN功率器件，在连续的640V，8A硬开关的工作环境下，在100℃的环境下可以稳定运行900h，而在125℃的环境下只能工作250h. 同时温升不光会降低器件的可靠性，还会引起新的与表面态有关的退化机制。

（S.R. Bahl, F. Baltazar, Y. Xie, A generalized approach to determine the switching lifetime of a GaN FET, in: 2020 IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS), IEEE, 2020, pp. 1–6.）

（Rosker M, Bozada C, Dietrich H, et al. The DARPA wide band gap semiconductors for RF applications (WBGS-RF) program: Phase II results[J]. CS ManTech, 2009, 1: 1-4.）

功率器件两个最主要的鲁棒性指标，一个是avalanche ruggedness 雪崩击穿鲁棒性，用来衡量器件在高电压下迅速耗散掉冲击能量的能力，另一个是surge current ruggedness 浪涌电流鲁棒性，衡量器件承受瞬间过载能力. 对于一些GaN器件来说，器件能够承受瞬态电压过载的能力也很重要.

最大容许运行温度

像前面提到的虽然理论上器件的最大容许运行温度却决于何时本征载流子浓度高于掺杂浓度，但在实际器件中很多器件性能参数都与温度相关，因此器件的最大容许运行温度往往是很多个因素下的最短板. 比如器件处于关态的漏电电流大小和温度成指数依赖关系，温度高了以后可能会导致局域热失效。另一个就是在温度高了以后器件可能会发生热失控（thermal runaway），也就是温度升高引起的器件参数变化使得器件温度进一步升高，造成器件的正反馈崩溃. 比如SiC材料理论上允许的最大温度是800℃，而SiC器件在200℃的结温下就会发生热失控问题了.

最大工作电流密度

当设计和生产一个新器件的时候，我们需要给出这个器件的额定电流及其最高温度. Si功率器件的电流额定值标定的最大结温控制在了125℃—150℃，而宽禁带半导体比如GaN和SiC器件电流标定的最大结温最高可以控制在175℃. 这个大概是说当想让温度控制在最大结温以内，实际使用时的电流不能够超过额定值，否则产热可能会过多导致结温过高，降低器件的输出功率. 器件能够容许的最大温度越高，则器件的最大工作电流密度也就越高. \[ J=\sqrt{\frac{T_{j, \max }-T_{\text {case }}}{R_{j c-s p} * R_{o n-s p}}} \] 器件的最大工作电流密度是电路设计的重要指标，密度越高，则在负载给定的条件下芯片的尺寸就可以做得更小，从而降低造价.

宽禁带半导体的热管理方案

目前最有效的热管理方案就是把功率开小一点.. 比如在功放应用上理论最大输出是\(40 \, \text{W/mm}\)，实际只开到\(2-4\, \text{W/mm}\)，就成功解决了热问题. 当然这个有点像数值方法的笑话了，什么样的算法稳定性最好，不论什么样的输入只要躺平永远返回0就可以了，然而它是完全不相容的.

集成高热导率衬底

这个老生常谈了.. 之前的文章也讨论过这个问题，这里我比较感兴趣的是它这里提到理论和实验均证明GaN在室温下热导率的各向异性不超过1%.. 看来各向同性色散已经足够好了.

封装级冷却

封装级冷却并不是简单的冷却封装好的芯片的外部冷却，而是重新设计封装方式从而在器件内部创造新的导热通道，从而实现器件内的热管理方案，现在在武汉大学袁超老师20年的那篇JAP就是很经典的文章. 像下面这个氧化镓的肖特基势垒二极管，双侧封装结构使得热量可以从上下两个方向同时传导出去，使得结温降低了一半.

器件设计

这是很有趣的解决方案，直接更改器件设计来减缓器件的热问题，比如通过更改结构使得器件内部的电场和电流分布更加平缓，从而使得产热分布更加均匀，直接消除掉局域热点. 比如下面这个工作比较了水平GaN HEMT器件和垂直GaN MOSFET器件内部的温度场，垂直器件内部的温度场明显更加均匀，峰值温度也明显降低，由于良好的热表现输出功率密度也相应增加.

另一个典型的工作比如这种场板式的HEMT结构，这种结构的目的是减弱并且重新分配沟道内局域的高电压场，同时提高击穿电压. 而我们知道HEMT的沟道内电流基本上是保持恒定的，因此焦耳热基本上就和电压场成正比，当峰值电压场被削掉了以后，hot-spot的强度自然也就减弱了. 看起来效果还是很好的，同时降低热阻和提高电子迁移率. ..将近半年前和海思开会被问到有没有一些电学设计的方案直接减小发热，那时候连热是怎么产生的都不知道，ashamed.. 现在来看所谓的调控产热实际上是在调控电场，因为宏观来看主要的热还是焦耳热.

（Oprins H, Stoffels S, Baelmans M, et al. Influence of field-plate configuration on power dissipation and temperature profiles in AlGaN/GaN on silicon HEMTs[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2015, 62(8): 2416-2422.）