研究人员概述了跟踪先进半导体中热量的创新方法

当电子设备过热时，它们可能会变慢、发生故障或完全停止工作。这种热量主要是由电子穿过材料时损失的能量引起的，类似于移动机器中的摩擦。

如今，大多数器件都使用硅 （Si） 作为其半导体材料。然而，工程师们越来越多地转向氮化镓 （GaN） 等替代品，以实现更长的使用寿命和更高的性能。这包括 LED、紧凑型笔记本电脑充电器和 5G 电话网络等产品。

对于更极端的应用，例如高压系统或恶劣环境，研究人员正在探索超宽带隙 （UWBG） 材料，例如氧化镓 （Ga）2O3）、氮化铝镓 （AlGaN） 甚至金刚石。

这些材料之间的主要区别在于它们的电子带隙，即让电子流过材料所需的能量。更宽的带隙使公司能够减小其电子设备的尺寸并提高其电气效率。

“UWBG 材料可以抵抗高达 8,000 伏的电压，并且可以在超过 200°C （392°F） 的温度下工作，这使得它们有望用于能源、健康和通信领域的下一代电子产品，”机械工程助理教授 Georges Pavlidis 解释说。

虽然这些材料具有有希望的优势，但它们也带来了挑战。它们目前价格昂贵、难以制造，并且很难精确测量其热特性。Pavlidis 解释说，随着电子设备变得更强大且尺寸更小，设备中的热量变得更加局部化，并可以产生比太阳更大的热通量。

“芯片制造商需要新的方法来测量更小尺寸的温度，”他说。

Pavlidis 与康涅狄格大学机械、航空航天和制造工程学院的博士生 Dominic Myren 和 Francis Vásquez 一起，在过去一年中与美国海军研究实验室的同事合作，以应对测量热量输出的挑战。他们的工作成果是一篇“Perspectives”论文发表在 Applied Physics Letters 上。

“'观点'论文旨在概述即将发生的事情，让人们对即将发生的事情感到兴奋，并鼓励其他研究人员开始研究类似的主题，”国防科学与工程研究生研究员 Myren 说，他在燃料系统、内燃机和发动机控制方面拥有七年的工业研发经验，并拥有与电磁致动器和发动机控制相关的专利。

“目前的推动力是在宽禁带和超宽带隙半导体器件中开发热管理策略。我们有很多悬而未决的问题，我们正在 Pavlidis 博士的实验室努力解决这些问题，但思想的交叉授粉是学术界蓬勃发展的方式。

在题为“超宽带隙半导体器件的新兴热计量学”的文章中，合著者讨论了将 UWBG 材料用于半导体的优缺点，并概述了在微尺度上测量温度的几种创新技术。这些方法可以帮助工程师设计更快、更强大的电子设备，而不会有过热的风险。

该论文于 5 月下旬在网上发表后，合著者意外地收到了 Applied Physics Letters 编辑的一封信。“[我们] 觉得你的文章值得注意，并选择它作为编辑之选进行推广。它将发布在期刊主页上，并在标题旁边显示徽章。

“每年发表 2,000 多篇文章的备受推崇的 Applied Physics Letters 被选为编辑推荐奖，这绝非易事，”康涅狄格大学工程学院院长 JC Zhao 说。“我祝贺 Pavlidis 教授和他的团队获得这一认可，我为他们的成就感到非常自豪。”

Vásquez 的研究兴趣是高功率和射频 （RF） 电力电子器件的热管理。在 Pavlidis 的实验室中，他喜欢将研究和有意义的应用相结合，该小组解决了电子和光子学中直接影响能效、可靠性和性能的真正挑战。

“让这种体验真正特别的是技工所文化，”Vásquez 说。“Pavlidis 教授非常支持和耐心，尤其是当我们遇到难以解释的知识时，他总是鼓励我们保持好奇心。

“他的方法促使我们探索新想法，对其进行严格测试，并思考如何将我们的工作转化为现实世界的创新。正是这种知识自由和高标准的结合产生了影响，让我每天在实验室里都感到兴奋。

在本文中，研究人员探索了在 UWBG 设备中测量温度的几种选择。他们建议使用拉曼光谱和热反射等光学方法，这些方法使用光来测量与温度相关的特性。电方法使用电信号来检测温度，而扫描探针方法（如扫描热显微镜）则接触表面以感受热量。

研究人员还描述了令人兴奋的新想法，例如结合由不同颜色的光创建的热图像来查看氮化物基器件中的热量，或测量光在材料缺陷中的吸收方式以计算氧化镓电子设备中的温度。他们甚至正在研究一种新型显微镜，这种显微镜可以使用深紫外光看到非常微小的热模式。

“这些提出的方法为测量未来电子产品的峰值温度提供了一种解决方案，这是设备何时会失效的主要指标。为行业提供精确的计量技术将降低商业化的门槛，并使工程师能够开发新的热管理策略，“Pavlidis 说。

该小组的研究得到了 Microelectronics Commons 的支持，这是一个专门为实现电力电子 UWBG 器件商业化而创建的计划。Commons 计划建立了东北微电子联盟中心，这是一个由 200 多个组织、学术机构、商业和国防公司以及联邦资助的中心组成的网络，集中在东北部八个州。这篇论文的想法源于 Pavlidis 去年夏天作为海军研究员办公室 （Office of Naval Research Fellow） 参与的一个项目。

展望未来，本月晋升为电气和电子工程师协会 （IEEE） 高级会员的 Pavlidis 的目标是与半导体合作伙伴合作，制定经济实惠的策略来降低电力电子的温度。通过突破温度测量的分辨率极限，该实验室计划扩展他们的方法，以改进其他技术，例如量子计算和光子电路。

他们已经与马里兰大学的同事合作，为下一代数据存储设计了光子硬件。该研究发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。

“我们希望我们的工作为下一代 UWBG 器件的热设计奠定了基础，”Pavlidis 说。