高功率器件热管理的挑战与机遇

高频通信、雷达和高功率开关电源等前沿领域，高电子迁移率晶体管（High-Electron-Mobility Transistor， HEMT）凭借其卓越的性能，已成为不可或缺的核心器件。然而，HEMT结构的特殊性使其本身存在着电、热性能间的强烈博弈，制约着器件频率与功率的进一步发展。高功率工况下，HEMT用以实现快速开关的本征结构也同时导致其面临着严峻的热失控风险，这是由构成HEMT的半导体材料及特殊器件结构在高电压、高压下固有的物理特性所决定的。若要实现HEMT器件在更高功率工况下的应用，厘清其内部电性能受限的原因，开发高效散热技术是有关研究的前沿与关键。本文围绕这一线索，剖析HEMT在热管理领域所面临的挑战与机遇，探究从原子尺度到系统集成不同层面的热输运优化方法，分析瓶颈及潜在的解决方案。

HEMT：现代电子设备的“心脏”

HEMT是一种特殊的场效应晶体管，其核心创新在于巧妙地利用了两种不同带隙半导体材料构成的“异质结”来替代传统的掺杂沟道。在典型的氮化镓（GaN）HEMT中，一层宽带隙的铝镓氮（AlGaN）势垒层生长在一层窄带隙的GaN缓冲层上，见图1（a）。由于两种材料的极化特性和能带结构存在差异，接触的异质界面处将出现极化电荷并形成界面势阱，使得电子自发地“陷入”势阱中，形成一层无杂质、高密度，仅能在二维平面内移动的电子薄层，即“二维电子气”（2DEG）。2DEG通道是HEMT高性能的来源，它就像一条为电子量身打造的“高速公路”。电子落入并集中，在未掺杂的、高纯度的GaN沟道层界面处，由于没有杂质原子散射，能够以极高的迁移率和密度自由移动。这使得HEMT能够实现极高的开关速度，其电流增益截止频率超过500 GHz，最高振荡频率达到1 THz，远超传统晶体管。

凭借这些独特优势，HEMT在多个高技术领域占据了核心地位。在通信领域，HEMT被广泛应用于手机、卫星电视接收器以及微波与毫米波通信系统，用以实现高增益和低噪声的信号放大。HEMT也广泛应用于军事和航空航天领域，是雷达、电子战系统以及射电天文学应用的核心组件。此外，GaN基HEMT还因其高耐击穿电压和低导通电阻的特性，在功率转换和电源适配器等高功率开关应用中展现出巨大潜力，正在逐步取代传统的硅基金属氧化物半导体晶体管（MOSFET）器件。

HEMT为何如此“炽热”？

HEMT的结构由多种材料精密堆叠而成，每一层都扮演着关键角色。核心功能层包括：用以形成2DEG 通道的缓冲层，如GaN、铟砷化镓（InGaAs）；用以形成异质结的势垒层，如AlGaN、砷化铝镓（AlGaAs）；用以支撑整个结构的衬底，如硅（Si）、碳化硅（SiC）、蓝宝石、金刚石。这些材料通常通过先进的外延生长技术制备而成，其中任何一层的材料质量、界面平整度或晶体缺陷都会直接影响器件的电学和热学性能。

尽管HEMT性能卓越，但其高功率密度、高频率特性也带来了显著的自热效应、局域热点和热应力等一系列严峻的问题。这些问题相互交织，共同构成了限制HEMT可靠性的一大瓶颈。自热效应是最普遍的热问题。在高功率操作下，HEMT沟道内的2DEG会产生巨大的焦耳热，导致器件温度急剧升高。例如，当功率密度高达6 W/mm时，沟道温度会显著上升。这种升温会直接降低电子迁移率和提高泄漏电流，从而导致器件的输出功率和栅极电压对电流的控制能力下降，并严重限制其在高频应用中的性能。热点产生热量的传递路径如图1（b）所示。HEMT中的热量并非均匀分布，而是高度集中在栅极边缘区域，形成温度极高的局域“热点”。这种局部过热不仅会引发电流崩溃等效应，还会加速器件性能的退化，最终可能导致器件永久性失效。HEMT由多种材料层堆叠而成，如GaN、AlGaN和衬底，这些材料的热膨胀系数存在显著差异。当器件在工作时温度升高，各层材料的膨胀程度不同，便会在界面处产生巨大的应力。这种热应力可能导致界面陷阱的产生，改变材料的电、热特性，从而进一步降低电子迁移率和器件稳定性。此外，无论是GaN/AlGaN的生长界面还是缓冲层/衬底键合界面，其界面热阻都会限制热量传输，从而削弱HEMT的散热性能。

在HEMT中，为了实现高功率输出，器件必须承载极高的电流密度，同时，为了追求更高的开关速度，器件尺寸又被不断缩小，导致产热在极小的体积内高度集中。这不仅仅是简单的工程问题，更是源于物理定律的必然结果。因此，HEMT的热管理挑战，本质上是一场在高功率密度下如何有效疏导和耗散热量的博弈。

通常一个高温表面上的热量可以通过环境介质（如空气或者液体）带至环境中。常规的电子器件热管理广泛采用散热片、强迫风冷等手段加快这一过程。但是热量从芯片内部热点到电子器件表面需要经历不同薄膜结构和大量异质界面，这些材料和界面产生了可观的热阻。通过外部散热强化，可以尽可能地降低芯片封装层外表面的温度，但芯片内部热阻仍使得大量的热堆积，阻碍热量传递至封装层表面，因而传统的外部散热手段无法有效解决芯片内大功率密度导致的温升问题。需要同时开展芯片内部热管理，降低内部产热和加快内部传热, 这也成为了解决功率器件热挑战的关键。

纳米尺度效应加剧了散热挑战

半导体材料的热导率普遍远低于金属，这使得热传导本身就成为一个巨大的挑战。在半导体和绝缘体中，热量并非由电子传导，而是主要由一种被称为“声子”的能量载流子来承担。声子可以被形象地理解为晶体中原子集体振动的能量量子，当一个原子被加热并偏离其平衡位置时，它会像多米诺骨牌一样引发相邻原子的连锁振动，这种振动波在晶格中传播，从而传递热能。然而，相较于金属中自由移动的电子，声子在晶格中的传播效率较低，并且极易受到杂质、缺陷和边界的散射，这直接导致了半导体材料内禀的热传导瓶颈，见图1（c）。

在宏观世界，热传导遵循经典的傅里叶定律，即热流与温度梯度成正比。然而，当器件尺寸微缩到纳米尺度，这一定律便不再适用。其核心原因在于在器件尺度与用于传递能量的声子的平均自由程相当时，声子的输运将受到明显阻碍。声子平均自由程（MFP）指声子在两次散射（如声子-声子碰撞、声子-杂质碰撞）之间平均能移动的距离。对于许多半导体材料，声子的MFP可达数百纳米甚至数微米。当材料的特征尺寸小于或接近声子的MFP时，声子的运动将不再是宏观的“扩散”行为[扩散式传输见图1（d）]，而更像是一种不受阻碍的“弹道式”或“准弹道式”运动。在这种情况下，器件边界或薄膜界面会成为主要的散射源，使得热传导效率急剧下降，远低于傅里叶定律的宏观预测。在HEMT中势垒层厚度通常在几十纳米，沟道层则在数百纳米。材料中存在大量不同的声子，因此MFP可以看成是一个分布。以GaN为例，实验测量和理论计算表明，MFP大于500纳米的声子约贡献了GaN体材料热导率的50%，因此当其作为沟道层时，热导率可能只有体材料的一半。以AlGaN为代表的势垒层，以合金形式存在。合金中高频声子被点缺陷强烈散射，热量以MFP较长的低频声学声子为主进行传输，而这些长MFP的声子更容易被界面影响，因此，当合金以纳米薄膜形式存在时，热导率下降幅度可能更显著。这也解释了为何HEMT中薄膜成为了散热路径上的主要热瓶颈。

如果说尺度效应是材料自身的热传导限制，那么界面效应则是另一个更为关键的瓶颈。界面热阻，又被称为Kapitza热阻，描述了两种不同材料界面对热量流动的阻碍程度。界面热阻的物理根源主要在于声子在界面处的散射。当声子从一种材料进入另一种材料时，如果两种材料的晶格振动模式、原子质量和声学特性存在显著差异，大量声子会被界面反射，而不是透射到相邻材料中。界面的原子级粗糙度、缺陷以及过渡层的存在，都会加剧声子在界面处的散射，进一步增加热阻。在许多情况下，界面热阻是整个散热路径中热阻最大的部分，对器件性能的影响甚至可能比衬底材料的热导率更具决定性。

调控与抑制界面热阻的艺术

正如前文所述，热传导路径上存在“短板效应”，界面热阻过高会使得整个散热性能受到严重限制。因此，散热方案的成败在很大程度上取决于如何有效调控和抑制界面热阻。界面工程的核心目标是通过改变界面结构和特性来增加声子在界面处的“透射率”，减少其反射率。这可以通过多种方法实现：理论上，可以通过引入声学特性介于两种主体材料之间的薄层来优化声子传输（类似于光学中的抗反射涂层）；在实践中，则需要通过材料合成和制备工艺的创新来解决。

为了降低界面热阻，科研界和工业界正探索多种前沿技术。一种有效的方法是在界面上制造纳米级别的凹凸纹理或图案。这能够增加声子与界面的接触面积，并改变声子在界面处的散射模式，从而减少有效界面热阻。研究表明，通过这种方法，GaN-on-Diamond的有效界面热阻可降低60%至70%。表面活化键合是一种创新的键合技术，它能够在室温下实现GaN与金刚石等材料的高品质、共价键级别的键合，而无需传统高温键合。这种方法能够避免高温带来的材料降解和界面缺陷，从而实现极低的界面热阻，最小可达8 m2K/GW。针对HEMT的层状结构，GaN/AlGaN生长界面的调控更依赖于外延生长工艺的优化，例如应力工程和界面缺陷密度控制；而缓冲层/衬底和界面则主要通过表面活化键合、界面清洁化与后处理等方法来降低界面热阻。

寻找完美的散热基座

在实现界面热阻优化的基础上，权衡成本、性能与工艺兼容性等多方面因素，选择合适的HEMT基底材料成为下一个需要优化的目标。蓝宝石是传统的GaN生长衬底，但其热导率极低（约35 W/mK）,这使得它无法有效解决高功率密度下的散热问题，主要用于LED照明等对热管理要求不高的应用。以Si为衬底的GaN-on-Si技术因其低成本、晶圆尺寸大且兼容成熟的硅互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺而备受青睐。然而，Si衬底热导率较低（约150 W/mK），并且与GaN的晶格及热膨胀系数失配严重。为了解决晶格失配问题，需要使用较厚的、热导率极差的过渡层，这使得GaN-on-Si器件的传热性能逊于其他方案。SiC是当前GaN HEMT衬底的主流选择，尤其是在高性能应用中。其优势在于高热导率（约400 W/mK）以及与GaN较小的晶格和热膨胀系数失配，从而能够提高器件的可靠性。然而，SiC的致命弱点是其高昂的成本和有限的晶圆尺寸，这限制了其在大规模、低成本应用中的普及。除了传统选择，一种以多晶氮化铝（poly-AlN）为核心、被称为Qromis Substrate Technology (QST) 的新型衬底因其高热导率和高机械强度而备受关注。实验数据显示，GaN-on-QST器件在热成像分析中表现出明显优于GaN-on-Si器件的散热性能，在相同电流密度下温升更小，并在高温下表现出更低的电流退化率。

对衬底的选择需要权衡热导率、与GaN的晶格失配、热膨胀匹配、制造成本以及晶圆尺寸等多个因素，是一场复杂的、多维度的竞赛, 不同衬底的比较见图2。没有完美的衬底，只有更适合特定应用场景的权衡方案。但是在严苛的散热要求下，研究者还是试图探索具有极高最高热导率的材料。金刚石和最近几年发现的砷化硼成为两种明星材料。

长期以来，金刚石以其无与伦比的超高热导率（室温下可超过2000 W/mK）被视为热传导领域的终极散热材料。将GaN直接生长或键合在金刚石衬底上的GaN-on-Diamond技术，旨在将散热层尽可能地靠近热源，从而实现最佳的热传导效率。然而，由于金刚石与GaN在晶格和声子特性上存在巨大差异，界面热阻成为主要的散热瓶颈，使得GaN-on-Diamond器件的实际散热性能大打折扣。

近年来，一种名为立方砷化硼（c-BAs）的新型半导体材料，以其惊人的热传导特性进入了人们的视野。在热导理论预测的指导下，材料科学家成功制备出“无缺陷”的c-BAs单晶，其热导率高至1300 W/mK。令人振奋的是，c-BAs的热膨胀系数与其他半导体材料（如GaN）的匹配度优于金刚石。金刚石与c-BAs的选择，并非仅仅是热导率数值的简单比拼。尽管金刚石保持着热导率的最高纪录，但c-BAs更好的热膨胀和晶格匹配特性，可能使其与GaN的集成更加容易，从而带来更低的界面热阻。这使得c-BAs在HEMT器件集成中更具潜力。

微通道主动冷却技术

随着功率密度的不断攀升，被动式热传导方式可能无法满足需求。因此，研究人员开始将目光投向更直接的“近结热传输”技术。其核心理念是在热量生成的第一时间主动将其移除，特别是利用液冷技术强化散热，从而大幅降低距离热源（晶体管结）100μm以内区域的热阻（见图3）。这种革命性的方法能够最大限度地降低整个热传导路径上的热阻，从而允许器件在更高的功率密度下稳定运行。这一先进理念来源于美国国防高级研究计划局（DARPA）的ICECool和NJTT项目群。这些项目秉持“电-热共同设计”（electrical-thermal co-design）理念，资助了多家顶尖公司探索不同的技术路线。例如：BAE系统公司将GaN器件与金刚石衬底键合后，再连接到微通道冷却器，利用金刚石作为近结区域的热扩散层；诺斯罗普·格鲁曼公司开发了一种在SiC衬底中嵌入金刚石内衬的微流体通道的方法，通过微射流冷却技术直接在热点下方移除热量；雷神公司采用了 GaN-on-Diamond 芯片与集成式微流体通道相结合的方案，将金刚石的热扩散能力与微流体冷却直接整合；洛克希德·马丁公司则采用一种不依赖金刚石的方案，通过一种独特的电沉积钯微流体歧管，在SiC衬底背面使用微射流直接冲击冷却。这些案例展示了近结热管理领域百花齐放的创新局面。

尽管前景光明，但微通道冷却仍面临着一些关键技术难点。例如，临界热通量是微通道冷却所能达到的热流上限，超过此值，流体将无法有效移除热量，导致器件温度急剧升高。此外，在微通道中，尤其是在两相流（如沸腾冷却）中，可能会出现压力降振荡或并联通道振荡等不稳定性，这会影响冷却系统的稳定性和可靠性。极窄的微通道会导致流体的高压降，需要强大的泵来维持流体循环，从而增加了系统的复杂性和功耗。这些挑战表明，微通道冷却作为一种革命性方案，仍有待于深入研究和工程优化，它绝非简单的“灵丹妙药”。

功率与性能的未来

HEMT的热管理挑战，是一场从原子级材料特性到宏观系统集成的多层次、多学科的复杂博弈。从最初依赖SiC衬底的被动散热，到如今探索金刚石和c-BAs等新型材料，运用界面工程调控声子传输，再到未来的近结微通道主动冷却，HEMT热管理技术正经历一场深刻的革命。未来的成功不依赖于单一技术的突破，而在于一个多维、多层、协同工作的整体解决方案。它要求在选择衬底时进行成本与性能的复杂权衡，要求通过精密的界面工程来解锁超高热导率材料的全部潜能，更要求将热管理作为器件设计中的核心要素，通过近结冷却技术从源头解决问题。随着对这些挑战理解的不断深入和技术的持续创新，我们将能够解锁HEMT的全部潜能，为未来的高频、高功率电子系统铺平道路，开启一个全新的技术时代。

致谢：感谢国家重点研发计划项目（2022YFB3803900）、国家自然科学基金卓越研究群体项目（T2588301）和重点项目 (52036002) 及北京市自然科学基金联合重点项目 (L257012) 的资助。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2025年9月刊。

专家简介

杨荣贵：北京大学工学部能源与资源工程系讲席教授 。

顾骁坤：上海第二工业大学集成电路学院教授 。

李凤仪：上海第二工业大学集成电路学院副教授。

张洪榜：上海交通大学机械与动力工程学院硕士研究生。

邹启凡：华中科技大学能源与动力工程学院博士研究生。

罗海亮：中国移动通信集团设计院有限公司信息建筑业务部（智算中心研究所）副总经理。

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