通过电场调控减轻功率器件自热
通过电场调控减轻功率器件自热
（Qin, Yuan, et al. "Thermal management and packaging of wide and ultra‐wide bandgap power devices: a review and perspective." Journal of Physics D: Applied Physics (2023)）
功率器件的热管理大致可以分为器件和封装两个层级，器件级设计比如更改裸片部分本身的设计参数，减小界面热阻，集成高热导率衬底这些；封装级方案一般是在裸片做好后，通过改变封装方案来降低结温，比如是正装芯片底部放到热沉上，还是倒装芯片上部贴到热沉上，或者开发一些更高热导率材料的密封剂。再外一层的热管理就是外部冷却的设计了，比如射流冲击换热。从传热的角度来看器件里的”结“（junction）就是流动电子产生热量的沟道区域，近结热管理指的大概是改进结附近的热传输，器件级热管理显然是一种近结热管理，倒装封装来在结附近构造高导热通路，应该也算是近结热管理的范围。在优化器件的设计参数的器件级热设计里，热源区域的大小是至关重要的，这直接决定了功率器件内部哪部分才会显著阻碍传热，矛盾变化了相应的设计也需要进行更改。
Kenneth E. Goodson的学生，现在在韩国成均馆大学的副教授Jungwan Cho的一些工作涉及到了不少对相关内容的讨论，热源越小，缓冲层中的扩展热阻占比就越高，缓冲层和衬底间界面的热流分布就越不均匀，根据界面热阻的定义，这也会导致界面上下的最高温度跳跃增加。同时，如果此时界面热阻非常高，它相当于起到了一个滤波器的作用，热流的不均匀性经过界面被大幅削弱，即使此时衬底的热导率很高比如金刚石衬底，热量在衬底中也不再有足够的扩展空间，它起到的效果也就有限了。此时即使缓冲层的热导率低于衬底，但是增加缓冲层厚度，可以有效地减缓界面处热流的不均匀性，使得界面热阻的阻碍作用减小，降低器件整体热阻，当然此时降低界面热阻也非常有效。所以研究界面的人为了说明自己的工作的意义，当然要选取一个很小的发热面积进行仿真。而当热源比较大时，界面处热流分布比较平缓，导致界面热阻对传热的阻碍也相应减小了，此时整体更接近一维导热，更改这些设计的效果也有限，主要矛盾可能就跑到衬底上去了。
（Cho, Jungwan, et al. "Near-junction thermal management: Thermal conduction in gallium nitride composite substrates." Annual Review of Heat Transfer 18 (2015).）
热源区域的大小直接决定了热设计的方向，因此有必要清楚地知道不同工况下器件的热源分布是什么样的，电子设备里的主要热源是焦耳热， \[ H = \vec{J}\cdot \vec{E} \] 其中\(\vec{J}\)是电流密度，\(\vec{E}\)是电场。宽禁带功率器件的热问题，尺寸小、功率高是一方面，另一方面是高电流密度叠加上高电场，会引起密度非常高的局域热点，导致极不平均的温度场，可能引起局域热失控。比如对于HEMT这种横向器件来说，电场分布非常不均匀，当沟道处于pinch-off状态时，栅极下方靠近漏极的一侧会产生一个尖锐的电场峰，也就2DEG区域产生了所谓的Hotspot。为了减轻这种现象，可以考虑尝试更改功率器件本身电学部分的设计，使得电场分布得更加平坦一些，产热相应平缓，热点的范围也就铺开了，结温也就降低了。实际上在功率器件的设计中，这种想法相关的一些设计主要是边缘终端结构 (Edge Termination)，它并不是为了改进传热设计的，主要是为了防止局域电场击穿。比如在通过扩散或者离子注入进行掺杂构成PN结的时候，在结的边缘往往会形成曲面的结构，弯曲的这部分电场强度要大于内部区域，因此击穿也最先在这里发生。为了提高器件的击穿电压，就要尽可能改善结面边缘的电场分布。常见的几种终端设计结构，包括场板 (Field Plate)，保护环 (Guard Ring)，结终端延伸 (Junction Termination Extension)等。
（功率元件之不等電位場板終端結構設計，黃永助，國立交通大學）
电场调控
垂直器件
GaN器件一般可以分为两大类，一类是横向的HEMT器件，另一类是垂直器件。横向HEMT器件利用AlGaN和GaN之间形成的2DEG导电，迁移率主要取决于2DEG的迁移率；而垂直器件是利用掺杂来提供自由电子，迁移率就主要取决于GaN的迁移率了。在早年间，没法长出高质量的GaN衬底，只能通过异质外延，把GaN缓冲层长在其他衬底上，比如Si或者SiC，但是这带来了晶格不匹配的问题，因此需要在衬底和buffer之间生长出一些比如AlGaN或者AlN的过渡层。近些年由于GaN技术的发展，高质量GaN衬底已经可以商业化了，因此垂直GaN器件也开始快速发展，比如GaN肖特基二极管和GaN垂直沟槽MOSFET。这一两年似乎有了很少量的商业化的垂直GaN器件，比如NexGen Power Systems的垂直GaN LED驱动器。相比于横向HEMT器件，垂直Gan器件可以实现更高的击穿电压，用更小的体积实现更大的电流处理能力。同时，由于横向HEMT器件中导电沟道非常贴近于表面，因此它容易受到表面陷阱和缓冲层陷阱的影响，引起一些电流退化和可靠性的问题。而垂直GaN器件由于它的电流是垂直流动的，更少地受到表面陷阱的影响。
（GaN Power Electronics: From Lateral to Vertical, Shu Yang.）
当然，这种不同的不同的电场和电流分布，也会相应地导致产热分布的不同。产热的基本图像就是栅极电压会诱导形成沟道，比如MOSFET的反型层，电子流动在沟道里，电荷量守恒。根据焦耳热的表达式，电流乘上电场就得到局域产热，因此电场强度大的地方就是集中产热产生的地方。在横向HEMT器件里，沟道就是2DEG，电压降主要集中在栅极下方靠近漏极的一侧，形成一个电场峰，产热也主要集中在这里。在Vertical器件里，沟道沿着栅极产生，最后通过漂移层垂直流向衬底。从下面的图可以看到，热点还是集中在栅极边缘的位置，但温度要远低于横向的HEMT器件，HEMT器件的结温达到400K，而垂直器件的结温只有342K，这说明垂直GaN器件中的电场分布是相对比较均匀的，在相同的设计击穿电压下， 垂直GaN器件可以实现更高的功率。
（Zhang, Yuhao, et al. "Electrothermal simulation and thermal performance study of GaN vertical and lateral power transistors." IEEE transactions on electron devices 60.7 (2013): 2224-2230.）
边缘终端
场板
场板的目的是通过降低电场峰值来提高HEMT击穿电压，场板通常指与器件电极形成连接的金属板，按照场板与哪个电极连接，可以分为栅场板、源场板、漏场板，不过主要以前两个居多。栅场板位于栅和漏之间，可以降低栅极靠近漏极一侧边缘的强电场。源场板在比栅极高度还厚的介质层上延申到栅漏之间来减小栅极靠近漏极一侧边缘的强电场。有了场板以后，整个沟道内的电场分布就不再是一个尖峰的情况了，而是可能有着多个更加平缓的不均匀的峰，取决于场板结构的设计参数。峰值降低了，器件的击穿电压就相应提高了。
（氮化物宽禁带半导体材料与电子器件，郝跃，科学出版社. ）
IMEC的Ingrid De Wolf等在2015年比较过不同源漏长度、不同场板结构HEMT的热阻，不同的设计参数下器件的热阻有着明显区别，而这种区别是无法通过单纯的热仿真体现的，这强调了电热协同设计的重要性。哪怕不协同设计，也至少要考虑到给定器件在它的工作状态时产热分布的影响，否则可能会给出一些错误的设计。其实之前没做电热耦合仿真的时候，看到下面这两个热阻的变化曲线不会有什么太多的感觉。但现在这些规律就清楚一些了，为什么随着功率的增加器件的热阻先是平的，然后有一个上升段，最后又基本变平了呢？这主要是由于当Device没有达到饱和漏极电压时，产热基本上均匀地分布到整个源和漏之间，而当漏极电压达到饱和电压后，随着电压的增加新增加的产热开始集中到栅极下方靠近漏极的一侧，此时由于热源尺度大幅变小，扩展热阻显著增大，而当漏极电压足够大的时候，之前均匀的产热功率占总耗散功率的比重就十分有限了，整个器件的热阻都由这部分小区域的热源决定，因此热阻基本又不发生变化了。（IEEE TED (2022), 70(2): 409-417, IEEE TED (2020): 3082-3087.）最近又做了一些偏置依赖的声子弹道输运对HEMT电流退化影响机制的工作，等到投了之后可以再仔细讨论一下相关的内容..
（Oprins, Herman, et al. "Influence of field-plate configuration on power dissipation and temperature profiles in AlGaN/GaN on silicon HEMTs." IEEE Transactions on Electron Devices 62.8 (2015): 2416-2422.）
保护环和结终端延伸
这两个东西我还没有见到有人分析过对传热特性的影响，保护环就是在原始的掺杂区域旁边植入一些小的扩散区，这样相当于把耗尽区往外延伸了一些，这样耗尽区的边缘曲率就降低了，边缘电场的聚集效应减弱，器件的击穿电压也相应提高了。结终端延伸是在原始掺杂的区域旁植入一些更浅的掺杂，这样也相当于改变了耗尽区界面的形貌，降低局域电场。
（功率元件之不等電位場板終端結構設計，黃永助，國立交通大學）
这周的工作量已经足够了，明天可以把那篇文章稍微改完之后，学习整理一些自己感兴趣的其他内容，暂时好像没想到有什么可写的.. 或者可以读一读攒的综述和文章啊.. 感兴趣的.. 总之我发现啊.. 写文章学习，不能是整理某篇文章，而一定是要关注到某个问题，可以从这个文章关注的问题出发，介绍这篇文章的工作或者其他相关的工作，以问题为核心，而不是以文章为核心，否则就没有在自己印象中的整理和组织过程了，自己的思考也就参与不进来，这个文章撰写起到学习左右也就相应地差了不少，核心目的就是让自己的意识参与进来，必须通过这整个工作流程，以这个工作流程为架子，让自己的思维沿着这个架子攀爬，或者像是渗流流入多孔介质一样。