氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）憑借高擊穿電場、高電子遷移率和高飽和速度等優異特性，已成為高頻高功率器件的理想選擇。然而，隨著功率密度不斷提升，器件的自熱效應日益嚴重，導致性能下降與可靠性問題，熱管理成為制約其產業化應用的關鍵瓶頸。
近日，西安電子科技大學的郝躍院士、張進成教授領導的研究團隊在學術期刊IEEE Journal of the Electron Devices Society發布了一篇名為Microchannel Cooling for Performance Enhancement of GaN-on-Si HEMT With a Low Rj-a of 13.5 K/W的文章，在GaN HEMT熱管理方面取得重要進展，提出并驗證了一種高效集成的微流道冷卻方案，顯著提升了器件的散熱能力與電學性能。西安電子科技大學碩士研究生周佳俊為第一作者，馮欣副教授、劉志宏教授、張進成教授為該論文的共同通訊作者。
研究團隊首先建立了自然空冷與微流道冷卻兩種熱阻模型，從傳熱學理論出發，系統比較了二者的熱輸運路徑與對流換熱能力。理論分析表明，得益于冷卻液體極高的比熱容與導熱系數，以及微流道結構帶來的巨大換熱面積，微流道冷卻可至少降低40%的結到環境熱阻（Rj-a）。通過計算流體動力學仿真，團隊深入研究了流速對散熱性能與系統功耗的影響，揭示了冷卻性能隨流速提高而逐漸飽和的趨勢，并綜合權衡最大表面溫度、進出口壓降與系統性能系數（COP），最終確定230 mL/min為兼顧散熱性能與系統能效的最佳流速。
圖1. (a) 制備的GaN HEMT示意圖。(b) 器件冷卻用微通道三維模型示意圖。(c) 微通道縱向截面模型。
圖2. 流率優化分析：(a) 不同流率下的進出口壓差；(b) 功耗3.57 W時，最高表面溫度及壓差隨流率變化；(c) 不同流率下 COP 與熱流密度的關系；(d) 功耗3.57 W時，COP 及最高表面溫度隨流率變化。
實驗驗證結果遠超理論預期，充分展現了微流道冷卻的強大效能。熱特性測試表明，采用微流道冷卻后，器件的Rj-a從自然空冷下的38.7 K/W顯著降至13.5 K/W（流速430 mL/min時），降幅高達65%。在功耗為6.3 W時，器件最高表面溫度僅為122℃，較自然空冷下4.3 W功耗時的172℃實現了大幅降低。同時，器件的表面熱通量密度提升106%，最高達到2200 W/cm2，展現了卓越的熱耗散能力。研究還證實，在高達50℃的高環境溫度下，該冷卻方案依然能保持高效的散熱性能，Rj-a降幅仍接近58%，顯示了其良好的環境適應性。
圖3. (a) 微流道冷卻（230 mL/min）與自然冷卻下，器件最高表面溫度隨功耗變化曲線。(b) 器件表面紅外熱像圖對比（左：自然冷卻，4.3 W；右：微流道冷卻，6.3 W）。
圖4. (a) 不同流率微流道冷卻及自然冷卻下，最高表面溫度與功耗的關系。(b) 不同冷卻條件下，最高表面溫度與器件熱流密度的關系。
在電學性能方面，微流道冷卻通過高效抑制溝道內的熱量積累，從根本上緩解了自熱效應。輸出特性曲線顯示，在微流道冷卻下，器件飽和電流隨漏壓增加而下降的電流衰減現象得到顯著抑制，電流衰減率從自然空冷下的29.8%大幅改善至僅3.5%。更值得注意的是，在固定偏置條件下，微流道冷卻使得器件的穩態飽和電流提升了35.2%，且在更高流速下可進一步提升至38.7%。這些結果一致表明，微流道冷卻不僅能大幅降低工作溫度，更能直接提升和穩定GaN HEMT的核心電學性能，為高功率密度應用下的可靠性運行提供了堅實基礎。
圖5. GaN HEMT在不同冷卻策略下的輸出特性：(a) 自然空氣冷卻；(b) 微流道冷卻（流率230 mL/min）。
圖6. (a) 不同冷卻方案下漏極電流隨時間的變化。(b) 不同冷卻方案及流率下的穩態漏極電流對比。
該研究不僅從理論與實驗兩方面系統驗證了微流道冷卻在GaN HEMT熱管理中的高效性，也為高功率寬禁帶半導體器件的集成熱管理方案提供了重要參考，有望推動GaN器件在5G通信、電力電子等高溫高功率場景中的實際應用。
