研究人員概述了跟蹤先進半導體中熱量的創新方法

當電子設備過熱時，它們可能會變慢、發生故障或完全停止工作。這種熱量主要是由電子穿過材料時損失的能量引起的，類似于移動機器中的摩擦。

如今，大多數器件都使用硅 （Si） 作為其半導體材料。然而，工程師們越來越多地轉向氮化鎵 （GaN） 等替代品，以實現更長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 電話網絡等產品。

對于更極端的應用，例如高壓系統或惡劣環境，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別在于它們的電子帶隙，即讓電子流過材料所需的能量。更寬的帶隙使公司能夠減小其電子設備的尺寸并提高其電氣效率。

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

雖然這些材料具有有希望的優勢，但它們也帶來了挑戰。它們目前價格昂貴、難以制造，并且很難精確測量其熱特性。Pavlidis 解釋說，隨著電子設備變得更強大且尺寸更小，設備中的熱量變得更加局部化，并可以產生比太陽更大的熱通量。

“芯片制造商需要新的方法來測量更小尺寸的溫度，”他說。

Pavlidis 與康涅狄格大學機械、航空航天和制造工程學院的博士生 Dominic Myren 和 Francis Vásquez 一起，在過去一年中與美國海軍研究實驗室的同事合作，以應對測量熱量輸出的挑戰。他們的工作成果是一篇“Perspectives”論文發表在 Applied Physics Letters 上。

“'觀點'論文旨在概述即將發生的事情，讓人們對即將發生的事情感到興奮，并鼓勵其他研究人員開始研究類似的主題，”國防科學與工程研究生研究員 Myren 說，他在燃料系統、內燃機和發動機控制方面擁有七年的工業研發經驗，并擁有與電磁致動器和發動機控制相關的專利。

“目前的推動力是在寬禁帶和超寬帶隙半導體器件中開發熱管理策略。我們有很多懸而未決的問題，我們正在 Pavlidis 博士的實驗室努力解決這些問題，但思想的交叉授粉是學術界蓬勃發展的方式。

在題為“超寬帶隙半導體器件的新興熱計量學”的文章中，合著者討論了將 UWBG 材料用于半導體的優缺點，并概述了在微尺度上測量溫度的幾種創新技術。這些方法可以幫助工程師設計更快、更強大的電子設備，而不會有過熱的風險。

該論文于 5 月下旬在網上發表后，合著者意外地收到了 Applied Physics Letters 編輯的一封信。“[我們] 覺得你的文章值得注意，并選擇它作為編輯之選進行推廣。它將發布在期刊主頁上，并在標題旁邊顯示徽章。

“每年發表 2,000 多篇文章的備受推崇的 Applied Physics Letters 被選為編輯推薦獎，這絕非易事，”康涅狄格大學工程學院院長 JC Zhao 說。“我祝賀 Pavlidis 教授和他的團隊獲得這一認可，我為他們的成就感到非常自豪。”

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 的實驗室中，他喜歡將研究和有意義的應用相結合，該小組解決了電子和光子學中直接影響能效、可靠性和性能的真正挑戰。

“讓這種體驗真正特別的是技工所文化，”Vásquez 說。“Pavlidis 教授非常支持和耐心，尤其是當我們遇到難以解釋的知識時，他總是鼓勵我們保持好奇心。

“他的方法促使我們探索新想法，對其進行嚴格測試，并思考如何將我們的工作轉化為現實世界的創新。正是這種知識自由和高標準的結合產生了影響，讓我每天在實驗室里都感到興奮。

在本文中，研究人員探索了在 UWBG 設備中測量溫度的幾種選擇。他們建議使用拉曼光譜和熱反射等光學方法，這些方法使用光來測量與溫度相關的特性。電方法使用電信號來檢測溫度，而掃描探針方法（如掃描熱顯微鏡）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，例如結合由不同顏色的光創建的熱圖像來查看氮化物基器件中的熱量，或測量光在材料缺陷中的吸收方式以計算氧化鎵電子設備中的溫度。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量未來電子產品的峰值溫度提供了一種解決方案，這是設備何時會失效的主要指標。為行業提供精確的計量技術將降低商業化的門檻，并使工程師能夠開發新的熱管理策略，“Pavlidis 說。

該小組的研究得到了 Microelectronics Commons 的支持，這是一個專門為實現電力電子 UWBG 器件商業化而創建的計劃。Commons 計劃建立了東北微電子聯盟中心，這是一個由 200 多個組織、學術機構、商業和國防公司以及聯邦資助的中心組成的網絡，集中在東北部八個州。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） 參與的一個項目。

展望未來，本月晉升為電氣和電子工程師協會 （IEEE） 高級會員的 Pavlidis 的目標是與半導體合作伙伴合作，制定經濟實惠的策略來降低電力電子的溫度。通過突破溫度測量的分辨率極限，該實驗室計劃擴展他們的方法，以改進其他技術，例如量子計算和光子電路。

他們已經與馬里蘭大學的同事合作，為下一代數據存儲設計了光子硬件。該研究發表在《自然通訊》（Nature Communications）上。

“我們希望我們的工作為下一代 UWBG 器件的熱設計奠定了基礎，”Pavlidis 說。