◆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。
◆ 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
