第三代半導(dǎo)體材料及器件中的熱科學(xué)和工程問題

程哲

(伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校材料科學(xué)和工程系,伊利諾伊 61801)

簡單回顧了半導(dǎo)體材料的發(fā)展歷史,并以基于氮化鎵的高電子遷移率晶體管為例,介紹了第三代半導(dǎo)體器件的產(chǎn)熱機(jī)制和熱管理策略.以β 相氧化鎵為例,簡單討論了新興的超寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展和熱管理挑戰(zhàn).然后重點(diǎn)討論了一些界面鍵合技術(shù)用于半導(dǎo)體散熱的進(jìn)展,同時指出這些器件中大量存在的界面散熱的工程難題背后的科學(xué)問題:界面?zhèn)鳠岬奈锢砝斫?在回顧了之前界面?zhèn)鳠岬睦碚摪l(fā)展后,指出了理解界面?zhèn)鳠岙?dāng)前遇到的一些困難、機(jī)遇和方向.

1 引言

半導(dǎo)體技術(shù)的前幾十年基本上是建立在第一代半導(dǎo)體材料(鍺、硅)和第二代半導(dǎo)體材料(傳統(tǒng)的三五族化合物,比如砷化鎵)上.這些材料的禁帶寬度都在2.3 eV 以下.即使寬的禁帶寬度意味著能承受更高的擊穿電壓、更節(jié)能、所需材料更少,寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展一直很艱難.直到19 世紀(jì)80 年代后期至90 年代,氮化鎵生長和摻雜技術(shù)的突破帶來了光電器件的革命,隨后也被用于電子器件.碳化硅在電子器件方面的研究則稍早于氮化鎵.以氮化鎵和碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體電子器件在2000 年以后,特別是2010 年之后,開始走向成熟,在功率和射頻器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一系列革新應(yīng)用:能源基礎(chǔ)設(shè)施、可再生能源轉(zhuǎn)化器、國防雷達(dá)和電子戰(zhàn)技術(shù)、衛(wèi)星通訊.區(qū)別三代半導(dǎo)體的主要標(biāo)準(zhǔn)是其禁帶寬度.隨著5 G 通訊的……