在大多數(shù)電子系統(tǒng)中，大量的廢熱通過一系列具有熱阻的器件層和接口從熱點散發(fā)到散熱器。大的熱阻和由此升高的熱點溫度會降低器件的工作性能，因此熱管理是半導(dǎo)體工業(yè)中的一個重要技術(shù)挑戰(zhàn)。最近關(guān)于改善散熱的研究主要集中在更換普通襯底（如碳化硅、硅和藍寶石）和高導(dǎo)熱（HTC）材料，以降低整體熱阻。高性能熱管理的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是實現(xiàn)HTC與電子結(jié)附近的低熱邊界電阻（thermal boundary resistance，界面對熱流的電阻）的結(jié)合。

　　金剛石是目前領(lǐng)先的研究原型HTC材料的高性能電力電子冷卻。研究表明，與傳統(tǒng)的射頻（RF）系統(tǒng)相比，氮化鎵（GaN）-金剛石器件的熱點溫度降低。然而，GaN-diamond界面的總熱阻很低，影響了金剛石在熱管理方面的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的高溫超導(dǎo)材料也受到熱性能和其他固有問題的限制。例如，金剛石和立方氮化硼由于其高溫高壓合成要求、生長速度慢、成本高、質(zhì)量劣化以及難以與半導(dǎo)體集成而在應(yīng)用上具有挑戰(zhàn)性。因為具有很弱的跨平面范德華鍵合，石墨具有很強的各向異性和機械柔軟性。石墨烯和納米管等納米材料可以作為各種材料的良導(dǎo)體，但當(dāng)以實際尺寸集成時，由于環(huán)境相互作用和無序散射，它們的熱導(dǎo)率會下降。

　　近年來，基于從頭計算理論（ab initio theory）在實驗上開發(fā)出了新的化合物半導(dǎo)體，其熱導(dǎo)率超過了一般的熱導(dǎo)體。磷化硼(BP)和砷化硼(BAs)的各向同性熱導(dǎo)率分別為500 W m-1 k-1和1300 W m-1 k-1。BAs的機械和熱物理性能已被測量為與功率半導(dǎo)體高度兼容，這是器件集成所需要的。BAs和BP與其他材料層的異構(gòu)集成和表征對于在熱管理應(yīng)用設(shè)備中的未來實現(xiàn)至關(guān)重要，但這些尚未被探索。

　　美國加州大學(xué)洛杉磯分校研究人員報道了BAs和BP與其它金屬和半導(dǎo)體材料的界面特性和集成，并通過材料表征、光譜測量和原子聲子輸運理論模擬研究了這些界面的散熱性能和機制。由于其獨特的聲子能帶結(jié)構(gòu)，BAs和BP表現(xiàn)出高HTC和低TBR的結(jié)合。

　　研究人員使用變質(zhì)異質(zhì)外延技術(shù)發(fā)展GaN-on-BAs結(jié)構(gòu)，并測量了250 MW m-2 k-1的熱邊界電導(dǎo)，通過使用具有可變寬度熱源的GaN–BAs結(jié)構(gòu)的實驗數(shù)據(jù)來確定和研究GaN晶體管的熱點溫度，并開發(fā)了器件集成并提供了AlGaN/GaN高電子遷移率晶體管（hemt）的實驗測量，驗證了BAs優(yōu)越的冷卻性能。

圖1 電子熱管理采用集成HTC材料作為冷卻基板，以改善散熱

　　該研究成果發(fā)表在《Nature Electronics》,2021，4：416–423, 題目：“Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices”。