来源 | IEEE Journal of the Electron Devices Society

链接 | https://doi.org/10.1109/jeds.2026.3658238

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背景介绍

氮化镓（GaN）作为宽禁带半导体，具有更高击穿电场、电子密度、迁移率及饱和速度，在高频、高功率电子领域应用广泛。高功率密度导致 2DEG（二维电子气）通道产生严重自热效应（焦耳热累积），需将通道温度控制在 200℃以下（商用 RF GaN HEMT 10W/mm 功率密度场景），否则会导致电性能退化与长期可靠性下降。

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成果掠影

近日，西安电子科技大学张进成、冯欣副、刘志宏团队在GaN HEMT热管理方面取得重要进展，提出并验证了一种高效集成的微流道冷却方案，显著提升了器件的散热能力与电学性能。通过建立自然风冷与微通道冷却的热阻模型，结合 CFD 仿真与实验验证，实现结 - 环境热阻（Rj-a）最低 13.5 K/W（较自然风冷降低 65%） 、表面热通量达2200 W/cm²（提升 106%） ，饱和电流增加35.2% ，有效抑制自热效应与电流崩塌；该技术在 25℃-50℃高环境温度下仍保持稳定冷却效果，且具有高集成性、通用性优势，为高功率 GaN 器件提供了高效且实用的热管理解决方案。研究成果以“Microchannel Cooling for Performance Enhancement of GaN-on-Si HEMT With a Low Rj-a of 13.5 K/W” 为题，发表于《IEEE Journal of the Electron Devices Society》期刊。

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图文导读

图1. (a) 制备的GaN HEMT示意图。(b) 器件冷却用微通道三维模型示意图。(c) 微通道纵向截面模型。

图2.热阻模型。（a）自然空气冷却结构。（b）微通道冷却结构。

图3. 模拟模型的网格敏感性测试。

图4.不同流量下表面最高温度与功率消耗、热流密度与表面最高温度关系的模拟结果。

图5.流率优化分析：(a) 不同流率下的进出口压差；(b) 功耗3.57 W时，最高表面温度及压差随流率变化；(c) 不同流率下 COP 与热流密度的关系；(d) 功耗3.57 W时，COP 及最高表面温度随流率变化。

图6.自然空气冷却和微通道冷却的最大表面温度与功耗的模拟结果，流量为230 mL/min，环境温度为25 °C和50 ° C。

图7.(a) 微流道冷却（230 mL/min）与自然冷却下，器件最高表面温度随功耗变化曲线。(b) 器件表面红外热像图对比（左：自然冷却，4.3 W；右：微流道冷却，6.3 W）。

图8.(a) 不同流率微流道冷却及自然冷却下，最高表面温度与功耗的关系。(b) 不同冷却条件下，最高表面温度与器件热流密度的关系。

图9.流速为230 mL/min的微通道冷却和不同温度下的自然空气冷却的最大表面温度与功耗：（a）25 °C和（b）50 °C。

图10.GaN HEMT在不同冷却策略下的输出特性：(a) 自然空气冷却；(b) 微流道冷却（流率230 mL/min）。

图11. 在230 mL/min的流速下，自然空气冷却和微通道冷却的传递特性曲线的比较。

图12.(a)不同冷却方案下漏极电流与时间的关系。（b）不同冷却方案下漏极电流的比较（VGS = 0 V）。