◆图书简介◆
《氮化镓电子器件热管理》概述了业界前沿研究者所采取的技术方法，以及他们所面临的挑战和在该领域所取得的进展。具体内容包括宽禁带半导体器件中的热问题、氮化镓（GaN）及相关材料的第一性原理热输运建模、多晶金刚石从介观尺度到纳米尺度的热输运、固体界面热输运基本理论、氮化镓界面热导上限的预测和测量、AlGaN/GaN HEMT器件物理与电热建模、氮化镓器件中热特性建模、AlGaN/GaN HEMT器件级建模仿真、基于电学法的热表征技术——栅电阻测温法、超晶格梯形场效应晶体管的热特性、用于氮化镓器件高分辨率热成像的瞬态热反射率法、热匹配QST衬底技术、用于电子器件散热的低应力纳米金刚石薄膜、金刚石基氮化镓材料及器件技术综述、金刚石与氮化镓的三维集成、基于室温键合形成的高导热半导体界面、AlGaN/GaN器件在金刚石衬底上直接低温键合技术、氮化镓电子器件的微流体冷却技术、氮化镓热管理技术在Ga2O3整流器和MOSFET中的应用。
本书可作为氮化镓半导体器件研究人员、开发人员和工程技术人员的参考用书，也可以作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考用书。
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◆ 目录：◆
目录
译者序
原书序
原书前言
第1章宽禁带半导体器件中的热问题
1.1器件工作状态下的热产生
1.1.1功率器件的工作状态
1.1.2射频器件的工作状态
1.2热对器件特性和工作状态的影响
1.2.1最大工作电流密度
1.2.2器件特性：载流子迁移率及电流崩塌效应
1.2.3可靠性及鲁棒性
1.2.4最高工作温度和结温
1.3宽禁带半导体器件热管理问题
1.3.1高导热材料的集成
1.3.2器件设计
1.3.3封装级热管理
1.4小结
致谢
参考文献
第2章氮化镓（GaN）及相关材料的第一性原理热输运建模
2.1引言
2.2建模机制
2.2.1结构
2.2.2声子
2.2.3非谐相互作用
2.2.4晶格热导率
2.2.5非本征声子散射
2.2.6相关声子性质
2.3氮化镓及其相关材料的应用
2.3.1氮化镓
2.3.2其他Ⅲ族氮化物和非氮化物纤锌矿结构
2.4小结
致谢
参考文献
第3章多晶金刚石从介观尺度到纳米尺度的热输运
3.1引言
3.2介观尺度的热传导：集合平均性质
3.2.1几何模型：晶粒结构对热导率的影响
3.2.2实验表征各向异性和与z相关的热输运
3.2.3关于DARPA金刚石循环计划的简要说明
3.3纳米尺度下的声子传输：晶界附近的热导率抑制效应
3.3.1声子晶界散射的微观图像
3.3.2晶界附近的空间分辨热导率测量
3.3.3声子的漫散射导致热导率的非局部降低
3.4结论与展望
致谢
参考文献
第4章固体界面热输运基本理论
4.1引言
4.2谐波匹配界面间的热输运
4.3TBC的非弹性贡献
4.4界面键合对TBC的影响
4.5TBC建模方法的比较
致谢
参考文献
第5章氮化镓界面热导上限的预测和测量
5.1引言
5.2GaN界面热导理论上限
5.3实验测量ZnO/GaN高界面热导
5.4稳态热反射（SSTR）作为一种新型薄膜和界面的热导率测量技术：以GaN为例
致谢
参考文献
第6章AlGaN/GaN HEMT器件物理与电热建模
6.1引言
6.2AlGaN/GaN HEMT
6.2.12DEG的形成
6.2.2AlGaN/GaN HEMT的自热效应
6.2.3HEMT建模方案
6.2.4全耦合三维电热建模方案综述
6.32D TCAD模型
6.3.1HEMT器件物理
6.3.2Sentaurus技术计算机辅助设计
6.3.3校准程序
6.4三维有限元热学模型
6.4.1器件描述
6.4.2模型描述
6.4.3电热耦合
6.4.4模型验证
6.5小结
附录
参考文献
第7章氮化镓器件中热特性建模
7.1引言
7.2线性热电弹性理论
7.3Ⅲ族氮化物高电子迁移率晶体管的二维热模拟
7.4GaN HEMT的二维与三维热模拟对比
7.5使用CVD金刚石改善散热
7.6GaN HEMT的电热力学模拟
7.7小结
致谢
参考文献
第8章AlGaN/GaN HEMT器件级建模仿真
8.1引言
8.2第一部分：新的或需强调的物理特性
8.3第二部分：老化建模
8.4第三部分：其他重要注意事项
8.4.1维度和对称性
8.4.2偏压依赖性
8.4.3正确求解问题
8.5第四部分：其他仿真提示与技巧
8.5.1合理的网格划分
8.5.2收敛性
8.6小结
参考文献
第9章基于电学法的热表征技术——栅电阻测温法
9.1引言
9.2稳态分析
9.2.1电流驱动
9.2.2电压驱动
9.2.3电阻温度系数
9.2.4确定热阻
9.3瞬态分析
9.3.1时域特性
9.3.2灵敏度分析
9.3.3频域
9.4射频工作条件
9.5小结
参考文献
第10章超晶格梯形场效应晶体管的热特性
10.1超晶格梯形场效应晶体管
10.2SLCFET 中的热输运
10.2.1SLCFET 上的栅极电阻热成像
10.2.2SLCFET上的拉曼热成像
10.3降低SLCFET的峰值温度
10.4小结
参考文献
第11章用于氮化镓器件高分辨率热成像的瞬态热反射率法
11.1引言
11.2方法与背后的物理学
11.2.1温度和热
11.2.2反射率热成像
11.3结果
11.3.1同步稳态采集
11.3.2同步瞬态采集
11.3.3异步瞬态采集
11.3.4热反射响应的非线性
11.4小结
致谢
参考文献
第12章热匹配QST衬底技术
12.1引言
12.2QST结构
12.3QST热导率和QST堆的热阻
12.4QST上的GaN外延
12.5功率器件
12.5.1QST上的横向功率器件
12.5.2QST上的垂直功率器件
12.6射频器件
致谢
参考文献
第13章用于电子器件散热的低应力纳米金刚石薄膜
13.1引言
13.2纳米金刚石化学气相沉积
13.2.1衬底表面预处理
13.2.2爆轰纳米金刚石引晶工艺
13.2.3纳米金刚石化学气相沉积
13.3纳米金刚石薄膜的应力优化
13.4小结
致谢
参考文献
第14章金刚石基氮化镓材料及器件技术综述
14.1引言
14.2为什么选择金刚石基氮化镓
14.3制备金刚石基GaN的方法
14.3.1金刚石基GaN的所有制备方法
14.3.2金刚石基GaN单晶的直接生长
14.3.3GaN与金刚石键合
14.3.4在GaN背面直接合成金刚石：直接金刚石合成（DDF）技术
14.3.5在GaN正面直接合成金刚石
14.4可制造性
14.5热特性和应力特性
14.6电气和机械特性
14.7小结
参考文献
第15章金刚石与氮化镓的三维集成
15.1引言
15.2AlGaN HEMT器件的自热效应及其热限制
15.3在多晶CVD金刚石上生长Ⅲ族氮化物的挑战
15.4在GaN上直接生长金刚石面临的挑战
15.5GaN-金刚石直接集成
15.5.1金刚石的选择性沉积
15.5.2GaN横向外延生长（ELO）
15.5.3金刚石条纹上GaN的ELO
15.6小结
致谢
参考文献
第16章基于室温键合形成的高导热半导体界面
16.1引言
16.2热测试技术
16.3GaN块体材料和薄膜的热导率
16.4GaN-SiC和GaN-金刚石界面TBC的综述
16.5表面活化键合技术
16.6键合界面处的热导
致谢
参考文献
第17章AlGaN/GaN器件在金刚石衬底上直接低温键合技术
17.1引言
17.2GaN在金刚石衬底表面的制备技术
17.3基于水解辅助固化的低温键合技术
17.4键合层的热阻
17.5金刚石衬底器件的3GHz射频性能
17.6小结
参考文献
第18章氮化镓电子器件的微流体冷却技术
18.1引言
18.2微流体冷却基本原理
18.2.1对流传热：微流体冷却案例
18.2.2流量、压降和热容量：优化冷却效率
18.2.3传导和热扩散阻力：高导热材料在微流体冷却中的影响
18.2.4微流体热沉热阻
18.3微流体冷却中的集成水平
18.3.1间接微流体冷却
18.3.2直接微流体冷却
18.3.3微流体冷却与电子学的协同设计
18.3.4不同方法的概述和总结
18.4小结
参考文献
第19章氮化镓热管理技术在Ga2O3整流器和MOSFET中的应用
19.1引言
19.2Ga2O3的热研究现状综述
19.3垂直几何整流器
19.3.1实验研究
19.3.2模拟研究
19.3.3高功率下的退化
19.4MOSFET的热管理方法
19.5Ga2O3器件冷却的未来前景
致谢
参考文献
◆ 前言：◆
原书前言
电子器件的性能始终受到其工作过程中所产生热量的限制。在宽禁带半导体器件中，如氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT），目前规模化生产电子器件所采取的热管理技术无法提供接近器件热源的高导热散热路径。在过去10年中，我们进行了开创性的实验，将纳米晶体金刚石覆盖层集成到化合物半导体器件的制造工艺中。此后，许多研究团队报道了金刚石与GaN集成的重要研究成果，给出了多种有效的、无需降低器件性能的热管理选择措施，从而减少这些器件在射频或功率开关工作期间自热效应的影响。
自热效应是指在高功率作用下电子向晶格输运能量因局部能量增加而引起器件的沟道温度升高。已有许多研究计划试图解决这一问题，并将各种集成式金刚石散热片引入规模化生产的微电子领域。本书将介绍该领域中的引领者所采取的相关技术方法，以及他们所面临的挑战和由此给该领域带来的进步。本书的目的是为从事化合物半导体器件科研工作者提供综合参考，帮助他们解决基于宽禁带和超宽禁带半导体的未来材料体系在工程应用中的挑战。书中将包括多个视角，从纳米晶体金刚石的生长和通过晶圆键合的多晶金刚石材料集成，到异质界面热输运的全新物理学。因此，包括所有这些方面的金刚石热管理结果表明，这项技术经过多年的研究，很有可能成为商用产品，最终成为政府资助高风险、高回报科技的又一个成功案例。
本书内容结构如下。第1章概述了电力电子领域的热挑战，我们认为这应该是对现代电子器件所面临的热问题的总体概述，这部分是由一位研究生带着这个想法写的，我们希望它能很好地引导本书的其他章节。第2章直接深入到GaN和其他Ⅲ族氮化物材料中热输运的第一性基本原理，Lindsay描述了基于第一性原理计算声子色散、本征声子相互作用和其他晶格动力学性质的理论基础。第3章Sood从第一性原理的角度讨论了热输运的基本原理，但
描述的对象是多晶金刚石输运。第4章Graham介绍了界面热阻（或Kapitza 热阻，即热边界热阻，Thermal Boundary Resistance, TBR）的概念。第5章Hopkins对Ⅲ族氮化物界面的热传导极限预测进行了论述。
第6章首先介绍GaN器件的概念，Choi重点介绍了AlGaN/GaN异质结构晶体管的概念，并讨论了HEMT的器件物理和工作原理，之后讨论了GaN基HEMT的电热建模。第7章和第8章Ancona和Heller分别对热现象建模问题做了进一步讨论。以上三章内容，对Ⅲ族氮化物器件的热建模给予了全面论述。
本书的其余部分专门介绍了来自工业界、学术界和政府的一些实验室的实验工作。我们首先介绍了GaN器件热性能的实验方法，其中在选择Pavlidis、Chang和Raad的章节顺序时
有些为难，他们这三章采用栅极电阻热成像（第9章）、拉曼热成像（第10章）和热反射率成像（第11章）探索GaN HEMT的热测试方法。Chang介绍了诺斯罗普·格鲁曼公司开发的一种新型多通道GaN HEMT器件的电学特性和拉曼热成像的结果；Raad在第11章详细介绍了热反射技术并给出几个GaN HEMT的测试案例，进一步的详细说明由Odnoblyudov在第12章的部分内容中描述。第12章从电热特性两方面专门介绍了Qromis公司商用化的热匹配工程衬底技术。
从第13章开始，重点介绍金刚石作为GaN电子器件的一种热管理途径。我们将术语“热管理”定义为为了降低工作温度而主动调整GaN器件结构的技术方式。因此，前面所有章节提供的内容对于正确讨论GaN HEMT的热管理至关重要。第13章Feygelson描述了优化的纳米金刚石（NCD）的微波等离子体化学气相沉积工艺，在实现最小化应力的同时提高了膜厚均匀性，这些结果展示了NCD可以作为一种在晶圆级规模上制造的热扩散材料。第14章Francis回顾了具有良好前景的金刚石基GaN技术的多年发展，以及由此促成的创业公司Akash Systems的成立。第15章Piner和Holtz为金刚石与GaN的三维集成提供了一种独特的方向。第16章和第17章Cheng和Gerrer分别介绍了GaN与金刚石集成的晶圆键合方法。第18章Matioli讨论了另一种非常重要的热管理方法，即微流道冷却。最后的第19章Pearton介绍了急需热管理解决方案的另一种材料——氧化镓，这是一种新型的超宽带隙半导体，Ga2O3器件领域预计将借鉴GaN的“技术诀窍”，寻求Ga2O3电子器件的冷却途径，我们把这个话题留给下一本书讨论。我们希望读者喜欢这本由世界级的科学贡献汇集而成的书籍。
Marko J.Tadjer，Travis J.Anderson
美国海军研究实验室
◆ 序言：◆
原书序
从一种未来的技术成为现在射频（RF）应用和功率电子的首选技术，氮化镓（GaN）已经走过了漫长的道路。我在美国空军研究实验室的传感器理事会工作了30多年，见证了GaN从一种将器件制作在小片材料上的实验室新生事物，发展到在6in(1in=0.0254m，后同。)
甚至8in衬底上制造的最先进的射频单片微波集成电路和功率器件的过程。我对GaN的最初体验之一是在小片材料上制作欧姆和肖特基接触，以进行霍尔效应测量。这是20世纪90年代中期，当时GaN材料非常珍贵。在一次剥离工艺中，GaN小片从晶圆盒中滑出并从超净间地板的孔洞中掉了进去，我立刻掀开地板，拿着手电筒去寻找那块几乎是无价之宝的小片。非常幸运，由于表面反射很强，我找到了这个样品，从而才能完成后续工艺，获取迁移率数据，并继续做下一个样品。虽然我最终走出超净间，进入了电气特性和可靠性评估领域，但我仍然怀念从事GaN器件/电路制造工作的日子。
美国国防部高级研究计划局（DARPA）资助了很多GaN技术开发项目，这些项目可追溯到宽禁带半导体的早期，如基于氮化物的下一代电子技术，基于动态范围增强型电子与材料的微尺度功率转换项目等。作为这些项目的独立评估负责人，我有机会研究这些前沿技术，记录性能，并识别技术挑战。从材料和衬底工作开始到器件开发和最终的应用电路验证，GaN技术的成熟经历了一个漫长的过程，在整个过程中，GaN面临的最大技术挑战之一是热管理。GaN器件和电路固有的出色射频和功率性能会导致过多的功耗和热量。DARPA项目经理Avi Bar-Cohen博士在“近结热输运和芯片内/芯片间增强冷却项目”中讨论了这一问题。这些项目的重点是在器件结构内改善热输运性能，并开发能嵌入集成电路内的新型冷却解决方案。
GaN中的热管理技术是本书的重点，主要内容来源于学术界、工业界和政府研究实验室的贡献。作者们都是GaN研究领域的专家，技术重点是热分析。我阅读并参考了这些作者中大多数人最近几年发表的工作成果，并有幸通过各种项目和会议与他们中的许多人进行了当面交流。本书的内容涵盖了广泛的主题，包括GaN材料和衬底中的热输运，器件结构的建模和模拟，集成金刚石用于热管理，以及一些称为微流道的
应用案例。本书将为读者提供GaN射频、功率器件和电路技术中的热问题的广泛论述，同时给出了热管理的潜在解决方案的示例。
GaN已经是射频和功率电子的首选技术，但其性能最终受到热管理技术的限制。了解GaN器件中的热输运和热管理领域的前期工作，将为该领域的未来研究打下基础。本书为加深这种理解提供了非常好的参考。
希望大家能开卷有益！
Glen“David”Via
美国空军研究实验室传感器理事会
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◆ 作者简介：◆
马尔科·J.塔德尔（Marko J. Tadjer）博士就职于华盛顿特区美国海军研究实验室。他于2002年获得阿肯色大学(University of Arkansas)电气和计算机工程学士学位，2004年获得杜克大学(Duke University)电气工程硕士学位，2010年获得马里兰大学帕克分校(University of Maryland, College Park)电气工程博士学位。他在功率器件方面的研究重点是将金刚石等具有吸引力的材料与更成熟的GaN和SiC技术相结合，以及探索用于电力电子应用的新型氧化物，如Ga2O3。
特拉维斯·J.安德森（Travis J.Anderson）博士是美国海军研究实验室电力电子部门的负责人，于2008 年获得美国佛罗里达大学化学工程博士学位，并于 2004 年获得乔治亚理工学院化学工程学士学位。
◆ 译者序：◆
译者序
氮化镓（GaN）电子器件是指以GaN材料为基础、采用半导体工艺制成的电子器件，和SiC器件一样属于宽禁带半导体器件，是继以第一代硅基、第二代砷化镓基之后的第三代半导体器件。
20世纪90年代后，以SiC和GaN为代表的第三代半导体材料制造工艺获得了突破。相比于第二代的GaAs材料，GaN材料具有更大禁带宽度（3.49eV），更高的击穿场强（3.3MV/cm2）,更大的电子饱和漂移速度（2.7×107cm/s），更高的热导率［2.0W/(cm·K)］，以及杰出的Baliga优值（180～1450）。由于GaN材料在这些电热性能方面的显著优势，促进了以GaN HEMT为代表的半导体异质结构及其电子器件技术的快速发展，对其在微波功率器件以及高频功率开关器件两大方面均产生了革命性的影响。2005年，射频应用的GaN微波功率器件开始进入市场；2010年前后，应用于电力电子的GaN功率开关器件开始出现商业产品。目前，GaN射频器件主要应用在雷达、5G通信等领域，而功率开关器件则主要用于消费类的电子快充，以及工业类新能源汽车用的电源适配器和电力电子的电源系统等。
虽然相较于第二代的GaAs器件，GaN器件在多项参数性能方面已经获得了飞跃式提高，但像所有电子器件一样，其最终性能会受到工作过程中所产生热量的限制。而GaN器件和电路固有的、出色的射频和功率性能会产生过多的功耗和热量，导致内部的功率密度过大和温度过高，从而影响器件性能的进一步提升以及长期工作的稳定性和可靠性。因此，在GaN器件发展和成熟的过程中，面临的最大技术挑战之一就是器件的热管理。即如何通过材料、工艺和结构的优化设计来降低器件的功耗和温度，从而满足GaN器件尤其是功率器件的性能和可靠性的需求。本书中，将热管理一词定义为：为了降低工作温度而主动调整GaN器件结构的技术方式。
本书是由美国海军研究实验室的Marko J.Tadjer和Travis J.Anderson牵头，汇集了53位来自学术界、工业界和政府研究实验室的编者于2022年共同合作完成的。
本书核心内容是GaN电子器件中的热管理，包括基础理论、热分析方法以及具体的降热和控温技术。整本书共有19章，可以大致分为四个部分
:第一部分是第1～5章，主要概述基础理论和基本概念，包括热问题的总体概述、材料中热输运的第一性基本原理、界面热阻的概念以及界面热传导极限预测；第二部分是第6～8章，是从GaN器件的角度，对Ⅲ族氮化物器件的热建模给予了全面论述；第三部分是第9～12章，主要介绍了三种GaN HEMT的热特性的测试方法和测试案例，包括栅极电阻热成像、拉曼热成像以及热反射率成像；第四部分是第13～19章，重点介绍了金刚石作为GaN电子器件的一种热管理途径，包括金刚石膜的制备方法，金刚石与GaN的三维集成和晶圆键合方法等，这部分还介绍了微流道冷却技术，以及新型的超宽禁带半导体氧化镓器件的热管理需求。
本书由工业和信息化部电子第五研究所电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室的来萍、陈义强和王宏跃组织翻译和审校，其中原书序和原书前言由来萍、何小琦翻译，第1和8章由贺致远、陈义强翻译，第2和10章由简晓东和何小琦翻译，第3和4章由陈思和来萍翻译，第5和11章由付志伟翻译，第6、9和14章由刘昌翻译，第7、18和19章由王宏跃翻译，第12、13和15章由施宜军翻译，第16和17章由杨晓锋、马丙戌翻译；
韦覃如、陈兴欢、周斌也参加了部分内容的翻译和审校工作。机械工业出版社的任鑫编辑在本书的组织出版中给予了大力支持，在此表示感谢。
GaN器件热管理技术是GaN器件能充分发挥材料特性优势和满足可靠性需求的重要和关键技术之一。希望本书的出版，能为从事GaN器件研制人员以及应用GaN器件的工程人员提供有价值的技术参考。由于译者水平有限，难免会有不妥之处，恳请读者提出批评和指正。
来萍
于广州
