随着新型半导体材料的研究和应用，微纳电子器件的发展进入一个新时代。散热问题成为阻碍高性能大功率电子器件发展的主要技术瓶颈。比如，对于氮化镓射频器件，结点温度每上升10℃，器件的平均寿命就会下降为原来的一半，过高的工作温度将严重影响器件的性能和可靠性。随着半导体器件向紧凑化和高度集成化发展，先进热管理技术成为各国竞争的关键核心技术。
图1. 高效热管理技术在半导体器件中具有重大意义
北京大学集成电路学院/集成电路高精尖创新中心黄如院士-程哲研究员团队联合诺奖得主天野浩院士在《Applied Physics Reviews》上发表了（超）宽禁带半导体异质结构实现电子器件冷却的综述论文，文章聚焦半导体异质结构在电子热管理研究中的四个关键方向：
（1）晶圆级高质量（超）宽禁带半导体晶体材料生长. 高质量和高纯度材料的生长对于实现高导热性至关重要。文章提供了高导热材料的最新测量导热系数和晶片尺寸的总结。
图2. 各种半导体材料的导热系数和晶圆尺寸
（2）针对电子器件热管理的异质集成技术. 仅仅提高半导体材料的质量并不能充分解决电子器件的散热难题，对于器件复杂的多层结构，需要充分利用半导体键合技术，实现（超）宽禁带半导体与高导热材料的高效紧密结合。文章探讨了（超）宽禁带半导体中常用的亲水键合(Hydrophobic bonding)、等离子体键合(Plasma bonding)、表面活化键合(Surface-activated bonding SAB)和智能切割(Smart-cut)技术等异质键合方法，并对不同方法制备的（超）宽禁带半导体的界面TBC进行了较为全面的总结对比。
图3.不同键合方法的总结
（3）界面热阻的先进热表征技术、增强界面传热的实验和理论探究及界面局域声子模的理论理解. 对于微纳米电子器件，界面热阻成为制约器件散热的关键热阻来源。特别是对于局域热点的均热问题，如何研究和降低界面热阻成为下一步技术发展的核心。文章总结了界面热阻的测量技术，以及现有文献中的界面热阻的实验测量值，讨论了降低界面热阻的技术方案，最后从界面声子物理机制出发，讨论了近年来在界面热阻的理论理解方面的进展。
（4）电子器件上的异质结构冷却方法的模拟和实验研究. 在电子器件的设计阶段，通过有限元模拟和解析解等方法，可以实现器件级模拟，预测器件在实际工作条件下的温度分布。文章调研了多指器件的热串扰效应、不同的器件冷却策略(顶部、底部以及双面冷却）以及界面热阻对温度分布的影响等多项模拟工作，并通过热反射测温法，栅极电阻测温法等分析了在实际器件上应用多种不同散热技术的实验演示工作，更加直观地揭示和评估了各材料、结构和散热技术的冷却效果。
最后，文章通过系统性讨论上述关键领域的最新实验结果和理论发展，确定了电子器件冷却中存在的重要挑战，并提出了潜在的未来研究方向，为电子器件的器件级热管理领域的研究者提供了可供参考的指南。
文章作者包括北京大学程哲研究员、博士生黄子丰、黄如院士；日本名古屋大学Jia Wang研究助理教授、Kazuki Ohnishi博士后、天野浩院士；美国伊利诺伊大学香槟分校博士生Jinchi Sun；美国犹他大学Tianli Feng助理教授；日本大阪公立大学Jianbo Liang副教授。相关工作得到了北京大学集成电路学院学科建设经费和北京大学纳光电子前沿科学中心学科建设经费的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1063/5.0185305
