作为新一代固态微波功率器件的代表，GaN半导体具有高二维电子气浓度、高击穿场强、高的电子饱和速度等特点，在微波大功率器件应用领域有较第一、二代半导体材料显著的性能优势，其输出功率密度可以几倍甚至十几倍于GaAs微波功率FET，满足新一代电子产品对更大功率、更高频率、更小体积微波功率器件的要求，被广泛应用于雷达系统、通信系统等军民领域。然而，随着器件小型集成化的发展，现阶段在GaN基功率器件的研制和应用进程中，GaN器件在高功率状态下的可靠性面临严峻挑战，导致其大功率性能优势远未充分发挥。其主要原因之一是GaN微波功率芯片在工作时存在自热效应，且随功率的增大而增加，加大了在输出大功率的同时在芯片有源区的热积累效应，导致GaN器件输出功率密度以及效率等指标迅速恶化，使其大功率性能优势远未充分发挥。可以说，散热问题已经成为限制GaN微波功率器件技术进一步发展和应用的主要技术瓶颈之一。而受GaN器件衬底和外延材料本身导热能力所限，传统封装级散热技术无法有效解决这一问题，必须从GaN器件内部入手提升其近结区的热传输能力，因此，芯片级的高效散热技术研究成为业内的主要研究热点和急需解决的重要问题之一。
本文针对GaN功率器件的散热问题进行简要介绍，揭示GaN器件热瓶颈的原因。并对近年来国外正在开展的GaN功率器件芯片级先进散热技术进行评述，针对每种技术的散热机理、设计方案、工艺途径及研究进展情况进行系统的概括和分析，阐述了芯片级热管理的技术现状和发展方向。
1 GaN功率器件的热瓶颈
尽管GaN功率器件具有极高的输出功率能力，但现阶段的应用(主要为GaNHEMT和功放MMIC)因其热效应问题导致输出功率密度仅在3~5W/mm，远低于其实验室验证的42W/mm，可以看出，GaN半导体特有的大功率性能优势远未充分发挥。这是由于GaN功率器件在工作时其沟道区域内不可避免地产生热功耗，这种内热功耗的积累导致芯片的结温升高，在高源漏偏置电压下器件就会出现输出特性衰减现象，被定义为“自热效应”，其功率密度越大，“自热效应”越明显。因此，如何解决其沟道区热功耗积累问题是提升其功率特性的主要途径。
图１ GaN器件热瓶颈：（ａ）热源区结构；（ｂ）热分布示意图
通常在GaN半导体微波功率器件中，其沟道区位于芯片有源区的源漏位置下端区域，其热功耗的集中主要在沟道区的栅位置下端偏漏区域，其尺寸一般小于1μm，只占整个半导体芯片面积的极小的部分，即功耗的集中区即为热源区，如图1(a)所示。针对传统的SiC衬底GaN器件，其工作时热源区的热量主要是通过芯片内部的GaN外延层、SiC衬底层传递至芯片封装的热沉上进行耗散，依据DARPA的研究若将芯片和封装热沉作为一个整体，其芯片内部的热传递热阻占整体传热热阻的50%以上，如图1(b)所示。SiC衬底和GaN外延材料本身导热能力所限制，该结果也表明即便封装级的散热能力极好，也难以解决其芯片在大功率条件下的有源区热积累。因此，如何提升GaN芯片内部的热传递能力，尤其是热源区附近的传热能力成为解决其功率器件热瓶颈和实现大功率特性的关键途径。
2 芯片级散热技术
由于GaN芯片的微纳结构尺度和电路的功能性导致其芯片级的散热技术开发极为困难，国际上在电子器件热管理领域的开发上升至芯片层级的系统研究最早是在2011年，由美国DARPA进行顶层的项目设计和牵引支助，其目的解决GaN器件的热瓶颈问题。从目前各研究结构报道的技术途径来讲，主要分为两类：一是将高导热材料与芯片片内的热源区进行集成，增大芯片内部的热传递能力，有效抑制热积累，属于被动散热技术;二是将液体引入芯片内部的热源区附件，通过和液体的热交换，有效将热源区的热量带走，该技术属于主动散热技术。主动散热和被动散热途径因结构设计和工艺开发的不同分为以下四大类。
2.1 金刚石衬底GaN散热技术
金刚石衬底GaN器件散热技术最开始源于2011年DARPA启动的NJTT(Near-junctionther-maltransport)热管理项目，其概念是利用高热导率的金刚石材料替换传统GaN大功率器件的SiC衬底，增大其芯片内部的热传输能力，旨在使其输出功率密度达到传统的芯片3倍以上，解决GaN近结区的热积累，提升其器件的大功率特性和可靠性，被认为是下一代的GaN器件的最佳选择。然而该技术的实现依然面临挑战，主要包含三个方面：1)从原有衬底上将GaN外延层进行高质量、完整性的剥离技术;2)在GaN外延层上进行100μm的金刚石衬底生长或异质键合的技术;3)实现超低的生长或异质键合的界面热阻(GaN/Diamond)。针对上述的技术挑战，多组研发团队开展深入研究，以求技术突破，目前主要有以下两个途径。
基于GaN外延生长金刚石技术。利用该技术实现金刚石衬底GaN器件是由Raytheon和TriQuint的研发团队提出，其技术过程为利用Si基GaN外延层，采用临时键合将Si衬底及其高界面热阻层(GaN/Si)移除，随后在GaN外延层上直接生长100μm的金刚石多晶材料，实现金刚石衬底的GaN结构，如图2(a)和(b)所示。该技术途径开发难点是实现高质量的金刚石多晶的生长，其研发团队采用HFCVD和MPCVD方式生长技术，并引入几纳米的过渡层，近而保证金刚石及其和GaN界面的质量，实现其衬底的高热导和界面的低热阻特性。Raytheon利用该技术成功研制出金刚石衬底GaNHEMT，在RF模式下实现了3.87倍于传统SiC衬底的GaN器件的功率密度[如图2(c)所示]，且其金刚石和界面热阻可低至29m2K/GW。TriQuint团队也报道了其研究成果，在DC模式下，研制的金刚石衬底GaN晶体管的输出功率是其传统SiC衬底和Si衬底的2.2倍和3.4倍。可以看出该技术在散热能力方面体现出极为突出的优势，但是无论Raytheon和TriQuint的研究结果都遇到了金刚石衬底GaN晶体管的高漏电现象，该现象导致低的增益和击穿电压，限制了其大功率高效能的应用。其研究报道显示导致该现象的原因尚不完全清楚，但可以通过其工艺和结构的优化降低该漏电现象，且认为以SiC基GaN外延层制备生长的金刚石衬底GaN器件会有效提升该缺陷，是其研发团队后续探索的问题。
基于异质键合技术。利用该技术实现金刚石衬底GaN器件的途径是由BAESystems的研发团队提出和开发，其技术过程为利用SiC基GaN外延层，采用临时键合将SiC衬底及其界面热阻层(GaN/SiC)移除，随后利用异质键合的技术将GaN外延层和金刚石多晶衬底进行直接粘接，近而实现金刚石衬底的GaN结构，如图3(a)所示。该技术途径开发难点是实现低温、高质量界面的异质键合工艺开发，其研发团队采用的是在GaN外延层和金刚石衬底上分别蒸发粘接介质，在特定的工艺条件下进行异质键合，为了保证其键合质量，其两个键合面的粗糙度要求小于1nm，其键合过程中的温度可低至150℃，充分保证了该技术和器件制备技术的兼容性，但是其键合工艺和键合介质并未报道。依据上述的设计途径，BAESystems成功研制出金刚石衬底GaNHEMT，如图3(b)所示，实现了11W/mm的RF输出功率密度，是该结构下传统SiC衬底GaN器件的总输出功率密度的3.6倍。该技术优势是其金刚石衬底可以单独制备，有效保证其金刚石衬底的高导热特性，但其散热能力严重受键合界面层的质量影响，其最小值可达35m2K/GW，相对于直接生长技术，该界面热阻较高，也是后续该技术的研究重点。
2.2 金刚石嵌入式散热柱技术
金刚石嵌入式散热柱技术也是基于NJTT热管理项目，其概念是将高热导率的金刚石材料嵌入到GaN器件有源区下端的SiC衬底的中，使金刚石接近热源端，使热源区域热量通过金刚石散热柱有效热扩散，进而解决GaN近结区的热积累，其结构如图4(a)所示。该技术主要是由NorthropGrum-manAS提出并进行探索开发，其技术路径是利用SiC基GaN器件，在其有源区下端的区域对SiC衬底进行深度刻蚀，并采用生长的技术对刻蚀孔进行金刚石材料的生长，实现金刚石嵌入式散热柱结构。该散热结构可以认为是金刚石衬底GaN散热技术的一种妥协，不改变SiC衬底GaN的结构，仅在热源区下端嵌入金刚石柱，可有效解决金刚石衬底GaN结构因整片转移、异质键合或生长引起的GaN外延层的质量、界面热阻及应力等技术问题。但从理论上分析该技术在散热能力和效果上相对金刚石衬底GaN散热结构有一定差距。目前NorthropGrummanAS对该技术的实现工艺进行了开发，如图4(b)所示，其关键技术是微米级刻蚀孔的金刚石散热柱的生长，和美国NavalResearchLaboratory合作开发了MPCVD的生长技术，采用种子层引晶生长途径解决其高径深比的金刚石柱生长问题，其金刚石和SiC衬底接触区域的界面热阻低至9.5m2K/GW，金刚石散热柱的热导率高达1350W/mK，远高于其SiC衬底的理论热导率490W/mK。但是到目前为止，Northrop Grum-manAS并未有金刚石嵌入式散热柱结构GaN器件的散热试验验证报道。
2.3 高导热钝化层散热技术
高导热钝化层散热技术是由美国Naval Re-search Laboratory在2012年继DARPA的实施的芯片级热管理之后提出的，目的也是解决GaN器件热积累，提升其大功率特性和高可靠性问题。其结构设计如图5(a)所示，是利用金刚石薄膜材料替换原有源区的传统钝化层SiNx材料，利用金刚石薄膜的高导热特性，增加其热源区的横向热传递能力，有效避免有源区的热积累。该技术的优势是并不改变现有的GaN器件的制备技术，仅在现有的技术上增加高导热薄膜钝化工艺即可。该技术主要是由Naval Research Laboratory提出，并联合University of Bris-tol、Universidad Politécnicade Madrid及Massachu-setts Institute of Technology等高校和研究机构共同探索开发，其采用的技术路径是基于传统的Si基GaN器件，在有源区的栅两侧采用MPCVD的生长技术进行纳米级金刚石薄膜层的生长，实现高导热钝化层散热结构，如图5(b)所示。并制备了对应的GaN器件，验证实现了10W/mm功率密度，在5W/mm功率时该散热结构比常规的GaN器件结温降低20%，随着功率密度的增大其散热优势愈加明显[如图5(c)所示]。与此同时，该研究团队在该研究基础上正在尝试有源区整个栅结构也采用金刚石材料来制备，以求达到更为突出的散热能力。
2.4 片内微流冷却散热技术
片内微流冷却散热技术源于2013年DARPA启动的ICE Cool (Intra-chipembeddedcooling)热管理项目，其概念是在芯片的衬底中直接制造微流道，将流体引入其中进行交换散热。其目的是针对高性能大功率雷达和超级计算中心的发展应用，旨在提升其芯片的热传输特性，使其满足1kW/cm2的散热能力。由于该技术的创新性和颠覆性极大，其微流道的设计、管控技术、及其工艺开发的途径较多，因此DARPA支助的团队较多，且每组团队针对的技术问题和实现的途径不同，目前，该技术的研究开发主要体现为以下三种：
(1)基于SiC衬底的片内微流散热技术。该技术途径由LockheedMartin研发团队提出，其过程是在SiC衬底的内部刻蚀微流道，并采用单项流进行散热，如图6所示。其技术管控途径的设计是利用SiC衬底背面和热沉的流道相结合的方式，使热沉中的流体通过分流直接流经芯片热源区域下端的SiC衬底，而内部流体则采用的是冷冻液，近而实现芯片近结区的高效热交换冷却的目的，如图6(a)所示。该技术途径的难点是热沉中微流道和衬底中微流道的协同设计和微流体的管控，针对该技术难点的控制报道中并未详细说明。同时该团队基于射频功率器件，将该技术进行了GaNMMIC的应用验证研究，满足其热源区域的热流密度达30kW/cm2，芯片的热流密度达1kW/cm2的目的，达到了5倍于同等结构芯片的热流密度，实现了在同等功率条件下热阻降低四倍的效果，如图6(b)所示。该技术的研究主要是减少射频功率器件的近结温度，提升其性能、寿命和可靠性。
(2)基于金刚石衬底的片内微流散热技术。该技术途径由Raytheon研发团队提出，其技术途径设计为在GaN器件栅区下端的近结区的金刚石衬底中进行刻蚀微流道，并采用硅衬底进行键合密封和微流管控，微流体通过硅衬底的分流进入芯片的金刚石衬底有源区热源附近直接进行热交换散热，如图所示7(a)所示。其金刚石衬底和硅衬底的互连采用了两种技术途径，如图7(b)所示，第一种途径是利用焊料进行焊接密封，焊接层约2.8μm，可充分保证其微流道的密封性和结合强度，但存在键合焊接应力问题;第二种途径采用氧化物键合方式，报道中利用的键合层是SiO2材料，充分解决了异质键合的应力问题，但存在键合热阻相对较大问题;其上的两种技术方案均采用晶圆级键合，有效保证后续量产的生产线的工艺统一性。该团队也利用了有限元仿真模型对该片内微流冷却技术的散热能力进行了计算评估，如图7(c)所示，结果表明保持相同的结温，该片内微流散热的结构其功率输出能力较传统同结构输出增大4倍以上。但是该仿真评估结果还未得到相关报道试验的验证，也可能是该设计方案难度相对较高引起，目前该技术开发依然以其工艺实现的探索为主。
(3)基于散热柱的片内微流散热技术。该技术途径主要由Northrop Grumman AS研发团队提出，如图8(a)所示，采用的是双散热结构模式，基于金刚石嵌入式散热柱结构的散热模式上再次进行片内微流的热交换散热技术开发。其技术过程为先将在金刚石散热柱嵌入到GaN器件有源区下端的SiC衬底中，再利用刻蚀工艺对金刚石散热柱进行微流道制备，如图8(b)所示;其特点是一个有源区对应一个微流道，中心位置为微流进口，两边位置为微流出口，微流道的尺寸远大于其有源区尺寸，并采用硅衬底进行键合密封和实现微流管控，其原理是微流体通过硅衬底的入口后进行分流至芯片的金刚石衬底有源区热源附近直接进行热交换散热，如图8(c)所示。该设计方案的难点是片内嵌入金刚石材料存在界面(金刚石/SiC)热阻控制问题，对金刚石的生长工艺要求较高，同时芯片内嵌金刚石的SiC衬底和硅基衬底的密封采用是焊料键合方式，涉及三种异质材料的焊接，其封接层的应力控制也是其难点之一。与此同时，该团队的研究进展较为突出，基于GaN HEMT实现了设计结构的散热能力验证，如图8(d)所示，其热源区域的热流密度高达达30kW/cm2，实现4倍于传统芯片的RF功率输出，且该团队报道其设计、工艺开发及验证在进一步的改进优化中。
3 结论
GaN功率器件高效、大功率方面的性能优势因“自热效应”远未得到发挥，传统的封装级及系统级热管理技术难以解决该热瓶颈问题，芯片级的散热技术开发成为目前大功率器件热管理领域的研究热点。以美国DARPA牵引的NJTT和ICEColl项目为代表，通过对其散热技术途径探索研究的详细分析，表明现阶段的技术开发主要以芯片内部集成高热导率的材料的研究为主，体现在金刚石做GaN芯片的衬底、散热柱和钝化层等近结散热技术，工艺成熟度较高，目前部分研究已有相应的GaN产品验证，在RF模式下最高实现了3.87倍于传统SiC衬底的GaN器件的功率密度。片内微流冷却散热技术在实现高功率密度器件方面具有极具颠覆性的意义，且已实现GaN MMIC热源区域的热流密度达30kW/cm2，5倍于同等结构传统芯片的热流密度，但其应用的成熟度较低，片内微流结构设计、微流管控与器件应用的集成兼容性方面还有一定差异。尽管如此，该技术在GaN大功率器件中的内在优势与发展潜力仍使其备受关注，将是未来一段时间内芯片级热管理的重要发展方向。
