（来源：第三代半导体产业）

由西安电子科技大学的郝跃院士、张进成教授研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Recent Advances in Device-Level Thermal Management Technologies for Wide Bandgap Semiconductor: A Review（宽禁带半导体器件级热管理技术的新进展：综述）的文章，其中西安电子科技大学冯欣副教授，周弘教授、张进成教授为论文共同通讯作者。

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项目支持

本研究工作由国家自然科学基金，国家重点研发计划项目，广东省基础与应用基础研究基金和西安电子科技大学学科交叉拓展特支计划项目进行资助。

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背景

宽禁带半导体因其优异的品质因数，已在电力电子与射频领域获得广泛应用，尤其在无线通讯、智能电网、高速轨道交通及工业电子领域。2023 年全球氮化镓（GaN）功率器件市场规模达 175 亿美元，预期年增长率达 22.5%，其中商用 GaN 产品持续迭代升级，相继推出具备更高品质因数、更高能量转换效率及更高开关频率的新型功率开关器件。例如，英特尔公司于 2023 年 IEDM 会议报道了基于 300 mm 硅基 GaN 的单片集成工艺，实现业界首款 CMOS 驱动-GaN 功率开关技术。富士通公司发布大功率射频 GaN HEMT 器件，在 X 波段实现 1470 mA/mm 的漏极电流、24.4 W/mm 的创纪录输出功率密度及 110 V 工作电压。之后 2024 年该公司又进一步采用热化学气相沉积工艺制备出碳化硅基 GaN HEMT，在 X 波段 90 V 工作电压下其器件功率密度提升至 31.0 W/mm。

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摘要

宽禁带与超宽禁带半导体器件凭借其更高击穿电压和更低导通电阻的特性，相较硅基器件展现出显著性能优势，在电能转换及通信领域具有强劲竞争力。其中，代表性宽禁带材料 GaN 已步入产业化应用阶段，而以氧化镓为核心的新一代超宽禁带半导体近十年来已成为电力电子功率应用的研究热点。然而，这些先进半导体器件的核心挑战在于高功率应用场景下的热管理问题——散热失效将导致电气性能严重退化与长期可靠性衰减，因此亟需发展高效热管理技术。本文系统综述宽禁带与超宽禁带半导体器件热管理技术的最新进展，涵盖从器件内部结构优化（包括版图优化、衬底减薄、高热导率衬底键合与覆层）至外部热增强策略（如倒装芯片封装、微通道主动冷却及瞬态热管理技术）的全链条技术体系。本文深入探讨了当前技术瓶颈、潜在解决方案及未来发展机遇，旨在突破关键散热技术壁垒，推动宽禁带与超宽禁带半导体的深度产业化进程。

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展望

尽管现有冷却技术在当前热管理策略中成效显著，但推动大功率器件发展仍需新思路与方法。本文提出以下热管理领域潜在研究方向：1). 当前的主动冷却技术主要涉及诸如微通道冷却等液体冷却技术，其面临一系列问题包括电气隔离性差和泄漏风险。因此，一种新型固态主动冷却技术有望为器件稳定性提供坚实保障。电卡制冷材料在施加外部电压下呈现吸热或放热行为，可被集成在器件底部或表面以在芯片层级形成高效冷却器。此外，该技术通过沉积策略与标准器件制造工艺兼容，展现出工艺简单和制造成本低等优势。2). PN结型半导体可基于珀尔帖效应在芯片背面构建小型热电制冷单元，从而为功率芯片产生冷却效果。通过热电材料沉积、光刻、蚀刻和金属沉积工艺，该微型热电制冷单元能够在芯片背面制成。当然，这些技术仍需进一步优化以实现最大化的冷却效果。

总之，为实现卓越散热并加速宽禁带与超宽禁带半导体的深度工业化，相关功率器件应从热管理视角进行设计。例如采用适当的构型配置、集成高导热封装材料、实施基底冷却工程，以全面提升散热能力。预计这些方面的主要进展将实质性推进宽禁带与超宽禁带半导体在大功率应用中的快速发展。

图 1. （a）GaN HEMT 和（b）Ga2O3 MOSFET 的热耗散路径及等效热阻模型。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3562506

文章由西安电子科技大学周弘教授及冯欣老师供稿。

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来源：亚洲氧化镓联盟