研究人員概述了跟蹤先進(jìn)半導(dǎo)體中熱量的創(chuàng)新方法

當(dāng)電子設(shè)備過(guò)熱時(shí)，它們可能會(huì)變慢、發(fā)生故障或完全停止工作。這種熱量主要是由電子穿過(guò)材料時(shí)損失的能量引起的，類似于移動(dòng)機(jī)器中的摩擦。

如今，大多數(shù)器件都使用硅 （Si） 作為其半導(dǎo)體材料。然而，工程師們?cè)絹?lái)越多地轉(zhuǎn)向氮化鎵 （GaN） 等替代品，以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命和更高的性能。這包括 LED、緊湊型筆記本電腦充電器和 5G 電話網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)品。

對(duì)于更極端的應(yīng)用，例如高壓系統(tǒng)或惡劣環(huán)境，研究人員正在探索超寬帶隙 （UWBG） 材料，例如氧化鎵 （Ga）2O3）、氮化鋁鎵 （AlGaN） 甚至金剛石。

這些材料之間的主要區(qū)別在于它們的電子帶隙，即讓電子流過(guò)材料所需的能量。更寬的帶隙使公司能夠減小其電子設(shè)備的尺寸并提高其電氣效率。

“UWBG 材料可以抵抗高達(dá) 8,000 伏的電壓，并且可以在超過(guò) 200°C （392°F） 的溫度下工作，這使得它們有望用于能源、健康和通信領(lǐng)域的下一代電子產(chǎn)品，”機(jī)械工程助理教授 Georges Pavlidis 解釋說(shuō)。

雖然這些材料具有有希望的優(yōu)勢(shì)，但它們也帶來(lái)了挑戰(zhàn)。它們目前價(jià)格昂貴、難以制造，并且很難精確測(cè)量其熱特性。Pavlidis 解釋說(shuō)，隨著電子設(shè)備變得更強(qiáng)大且尺寸更小，設(shè)備中的熱量變得更加局部化，并可以產(chǎn)生比太陽(yáng)更大的熱通量。

“芯片制造商需要新的方法來(lái)測(cè)量更小尺寸的溫度，”他說(shuō)。

Pavlidis 與康涅狄格大學(xué)機(jī)械、航空航天和制造工程學(xué)院的博士生 Dominic Myren 和 Francis Vásquez 一起，在過(guò)去一年中與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的同事合作，以應(yīng)對(duì)測(cè)量熱量輸出的挑戰(zhàn)。他們的工作成果是一篇“Perspectives”論文發(fā)表在 Applied Physics Letters 上。

“'觀點(diǎn)'論文旨在概述即將發(fā)生的事情，讓人們對(duì)即將發(fā)生的事情感到興奮，并鼓勵(lì)其他研究人員開(kāi)始研究類似的主題，”國(guó)防科學(xué)與工程研究生研究員 Myren 說(shuō)，他在燃料系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)控制方面擁有七年的工業(yè)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并擁有與電磁致動(dòng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制相關(guān)的專利。

“目前的推動(dòng)力是在寬禁帶和超寬帶隙半導(dǎo)體器件中開(kāi)發(fā)熱管理策略。我們有很多懸而未決的問(wèn)題，我們正在 Pavlidis 博士的實(shí)驗(yàn)室努力解決這些問(wèn)題，但思想的交叉授粉是學(xué)術(shù)界蓬勃發(fā)展的方式。

在題為“超寬帶隙半導(dǎo)體器件的新興熱計(jì)量學(xué)”的文章中，合著者討論了將 UWBG 材料用于半導(dǎo)體的優(yōu)缺點(diǎn)，并概述了在微尺度上測(cè)量溫度的幾種創(chuàng)新技術(shù)。這些方法可以幫助工程師設(shè)計(jì)更快、更強(qiáng)大的電子設(shè)備，而不會(huì)有過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。

該論文于 5 月下旬在網(wǎng)上發(fā)表后，合著者意外地收到了 Applied Physics Letters 編輯的一封信?！癧我們] 覺(jué)得你的文章值得注意，并選擇它作為編輯之選進(jìn)行推廣。它將發(fā)布在期刊主頁(yè)上，并在標(biāo)題旁邊顯示徽章。

“每年發(fā)表 2,000 多篇文章的備受推崇的 Applied Physics Letters 被選為編輯推薦獎(jiǎng)，這絕非易事，”康涅狄格大學(xué)工程學(xué)院院長(zhǎng) JC Zhao 說(shuō)?！拔易ＹR Pavlidis 教授和他的團(tuán)隊(duì)獲得這一認(rèn)可，我為他們的成就感到非常自豪?！?/p>

Vásquez 的研究興趣是高功率和射頻 （RF） 電力電子器件的熱管理。在 Pavlidis 的實(shí)驗(yàn)室中，他喜歡將研究和有意義的應(yīng)用相結(jié)合，該小組解決了電子和光子學(xué)中直接影響能效、可靠性和性能的真正挑戰(zhàn)。

“讓這種體驗(yàn)真正特別的是技工所文化，”Vásquez 說(shuō)?！癙avlidis 教授非常支持和耐心，尤其是當(dāng)我們遇到難以解釋的知識(shí)時(shí)，他總是鼓勵(lì)我們保持好奇心。

“他的方法促使我們探索新想法，對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)試，并思考如何將我們的工作轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的創(chuàng)新。正是這種知識(shí)自由和高標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合產(chǎn)生了影響，讓我每天在實(shí)驗(yàn)室里都感到興奮。

在本文中，研究人員探索了在 UWBG 設(shè)備中測(cè)量溫度的幾種選擇。他們建議使用拉曼光譜和熱反射等光學(xué)方法，這些方法使用光來(lái)測(cè)量與溫度相關(guān)的特性。電方法使用電信號(hào)來(lái)檢測(cè)溫度，而掃描探針?lè)椒ǎㄈ鐠呙锜犸@微鏡）則接觸表面以感受熱量。

研究人員還描述了令人興奮的新想法，例如結(jié)合由不同顏色的光創(chuàng)建的熱圖像來(lái)查看氮化物基器件中的熱量，或測(cè)量光在材料缺陷中的吸收方式以計(jì)算氧化鎵電子設(shè)備中的溫度。他們甚至正在研究一種新型顯微鏡，這種顯微鏡可以使用深紫外光看到非常微小的熱模式。

“這些提出的方法為測(cè)量未來(lái)電子產(chǎn)品的峰值溫度提供了一種解決方案，這是設(shè)備何時(shí)會(huì)失效的主要指標(biāo)。為行業(yè)提供精確的計(jì)量技術(shù)將降低商業(yè)化的門檻，并使工程師能夠開(kāi)發(fā)新的熱管理策略，“Pavlidis 說(shuō)。

該小組的研究得到了 Microelectronics Commons 的支持，這是一個(gè)專門為實(shí)現(xiàn)電力電子 UWBG 器件商業(yè)化而創(chuàng)建的計(jì)劃。Commons 計(jì)劃建立了東北微電子聯(lián)盟中心，這是一個(gè)由 200 多個(gè)組織、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)、商業(yè)和國(guó)防公司以及聯(lián)邦資助的中心組成的網(wǎng)絡(luò)，集中在東北部八個(gè)州。這篇論文的想法源于 Pavlidis 去年夏天作為海軍研究員辦公室 （Office of Naval Research Fellow） 參與的一個(gè)項(xiàng)目。

展望未來(lái)，本月晉升為電氣和電子工程師協(xié)會(huì) （IEEE） 高級(jí)會(huì)員的 Pavlidis 的目標(biāo)是與半導(dǎo)體合作伙伴合作，制定經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的策略來(lái)降低電力電子的溫度。通過(guò)突破溫度測(cè)量的分辨率極限，該實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃擴(kuò)展他們的方法，以改進(jìn)其他技術(shù)，例如量子計(jì)算和光子電路。

他們已經(jīng)與馬里蘭大學(xué)的同事合作，為下一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)了光子硬件。該研究發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）上。

“我們希望我們的工作為下一代 UWBG 器件的熱設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，”Pavlidis 說(shuō)。