Integration of boron arsenide cooling substrates into gallium nitride devices

材料科学 光电子学 砷化镓 热导率 氮化镓 宽禁带半导体 半导体 带隙 磷化镓 钻石 氮化硼 纳米技术 复合材料 图层(电子)
作者
Joon Sang Kang,Man Li,Huan Wu,Huuduy Nguyen,Toshihiro Aoki,Yongjie Hu
出处
期刊:Nature electronics [Springer Nature]
卷期号:4 (6): 416-423 被引量:75
标识
DOI:10.1038/s41928-021-00595-9
摘要

Thermal management is critical in modern electronic systems. Efforts to improve heat dissipation have led to the exploration of novel semiconductor materials with high thermal conductivity, including boron arsenide (BAs) and boron phosphide (BP). However, the integration of such materials into devices and the measurement of their interface energy transport remain unexplored. Here, we show that BAs and BP cooling substrates can be heterogeneously integrated with metals, a wide-bandgap semiconductor (gallium nitride, GaN) and high-electron-mobility transistor devices. GaN-on-BAs structures exhibit a high thermal boundary conductance of 250 MW m−2 K−1, and comparison of device-level hot-spot temperatures with length-dependent scaling (from 100 μm to 100 nm) shows that the power cooling performance of BAs exceeds that of reported diamond devices. Furthermore, operating AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors with BAs cooling substrates exhibit substantially lower hot-spot temperatures than diamond and silicon carbide at the same transistor power density, illustrating their potential for use in the thermal management of radiofrequency electronics. We attribute the high thermal management performance of BAs and BP to their unique phonon band structures and interface matching. Boron arsenide and boron phosphide cooling substrates can be integrated with other materials, including the wide-bandgap semiconductor gallium nitride, creating structures that exhibit high thermal boundary conductances and high-electron-mobility transistors that exhibit low hot-spot temperatures.
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