Many high power (opto-) electronic devices such as transistors, diodes, and lasers suffer from significant hot spot temperature rises due to the high heat fluxes generated in their active area, which limits their performance, reliability, and lifetime. Employing high thermal conductivity materials near the heat source, known as near-junction heat spreaders, offers a low-cost and effective thermal management approach. Here, we present analytical heat spreader models and a methodology to evaluate their performance. Experimental demonstration of near-junction diamond heat spreaders on vertical GaN PiN diodes revealed significantly reduced spreading resistances, along with very low temperature gradients across the device. The findings in this work provide design guidelines and demonstrate excellent prospects, especially for the devices on low thermal conductivity substrates. The theoretical analysis of optimized diamond heat spreaders shows an 86% reduction of spreading resistance for GaN devices and 98% for Ga2O3 devices. In addition, our results show that a 3 μm-thick layer of high-quality CVD-deposited diamond heat spreaders on GaN-on-Si devices can provide better heat spreading than GaN-on-SiC devices and perform similar to GaN-on-diamond devices, highlighting the significant potential of heat spreaders as an effective and low-cost thermal management approach.

1.
Y.
Won
,
J.
Cho
,
D.
Agonafer
,
M.
Asheghi
, and
K. E.
Goodson
,
IEEE Trans. Compon. Packaging Manuf. Technol.
5
,
737
(
2015
).
2.
Y.-F.
Wu
,
M.
Moore
,
A.
Saxler
,
T.
Wisleder
, and
P.
Parikh
, in 2006 64th Device Research Conference (IEEE, 2007), p. 151.
3.
R.
Leoni
,
N.
Kolias
,
P.
Jablonski
,
F.
Altunkilic
,
E.
Johnson
, and
W.
Bourcy
, in 2017 IEEE Compd. Semicond. Integr. Circuit Symp. (IEEE,
2017
), pp. 1–4.
4.
E.
Heller
,
S.
Choi
,
D.
Dorsey
,
R.
Vetury
, and
S.
Graham
,
Microelectron. Reliab.
53
,
872
(
2013
).
5.
Y. S.
Muzychka
,
K. R.
Bagnall
, and
E. N.
Wang
,
IEEE Trans. Compon. Packaging Manuf. Technol.
3
,
1826
(
2013
).
6.
J.
Zou
,
D.
Kotchetkov
,
A. A.
Balandin
,
D. I.
Florescu
, and
F. H.
Pollak
,
J. Appl. Phys.
92
,
2534
(
2002
).
7.
H. W.
Xue
,
Q. M.
He
,
G. Z.
Jian
,
S. B.
Long
,
T.
Pang
, and
M.
Liu
,
Nanoscale Res. Lett.
13
,
290
(
2018
).
8.
Z.
Guo
,
A.
Verma
,
X.
Wu
,
F.
Sun
,
A.
Hickman
,
T.
Masui
,
A.
Kuramata
,
M.
Higashiwaki
,
D.
Jena
, and
T.
Luo
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
111909
(
2015
).
9.
B.
Chatterjee
,
A.
Jayawardena
,
E.
Heller
,
D. W.
Snyder
,
S.
Dhar
, and
S.
Choi
,
Rev. Sci. Instrum.
89
,
114903
(
2018
).
10.
M. H.
Wong
,
Y.
Morikawa
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
193503
(
2016
).
11.
T.
Ohki
,
A.
Yamada
,
Y.
Minoura
,
K.
Makiyama
,
J.
Kotani
,
S.
Ozaki
,
M.
Sato
,
N.
Okamoto
,
K.
Joshin
, and
N.
Nakamura
,
IEEE Electron. Device Lett.
40
,
287
(
2019
).
12.
J. G.
Felbinger
,
M. V. S.
Chandra
,
Y.
Sun
,
L. F.
Eastman
,
J.
Wasserbauer
,
F.
Faili
,
D.
Babic
,
D.
Francis
, and
F.
Ejeckam
,
IEEE Electron. Device Lett.
28
,
948
(
2007
).
13.
G. D.
Via
,
J. G.
Felbinger
,
J.
Blevins
,
K.
Chabak
,
G.
Jessen
,
J.
Gillespie
,
R.
Fitch
,
A.
Crespo
,
K.
Sutherlin
,
B.
Poling
,
S.
Tetlak
,
R.
Gilbert
,
T.
Cooper
,
R.
Baranyai
,
J. W.
Pomeroy
,
M.
Kuball
,
J. J.
Maurer
, and
A.
Bar-Cohen
,
Phys. Status Solidi C Curr. Top. Solid State Phys.
11
,
871
(
2014
).
14.
D.
Francis
,
F.
Faili
,
D.
Babić
,
F.
Ejeckam
,
A.
Nurmikko
, and
H.
Maris
,
Diam. Relat. Mater.
19
,
229
(
2010
).
15.
H.
Amano
,
Y.
Baines
,
E.
Beam
,
M.
Borga
,
T.
Bouchet
,
P. R.
Chalker
,
M.
Charles
,
K. J.
Chen
,
N.
Chowdhury
,
R.
Chu
,
C.
De Santi
,
M. M.
De Souza
,
S.
Decoutere
,
L.
Di Cioccio
,
B.
Eckardt
,
T.
Egawa
,
P.
Fay
,
J. J.
Freedsman
,
L.
Guido
,
O.
Häberlen
,
G.
Haynes
,
T.
Heckel
,
D.
Hemakumara
,
P.
Houston
,
J.
Hu
,
M.
Hua
,
Q.
Huang
,
A.
Huang
,
S.
Jiang
,
H.
Kawai
,
D.
Kinzer
,
M.
Kuball
,
A.
Kumar
,
K. B.
Lee
,
X.
Li
,
D.
Marcon
,
M.
März
,
R.
McCarthy
,
G.
Meneghesso
,
M.
Meneghini
,
E.
Morvan
,
A.
Nakajima
,
E. M. S.
Narayanan
,
S.
Oliver
,
T.
Palacios
,
D.
Piedra
,
M.
Plissonnier
,
R.
Reddy
,
M.
Sun
,
I.
Thayne
,
A.
Torres
,
N.
Trivellin
,
V.
Unni
,
M. J.
Uren
,
M.
Van Hove
,
D. J.
Wallis
,
J.
Wang
,
J.
Xie
,
S.
Yagi
,
S.
Yang
,
C.
Youtsey
,
R.
Yu
,
E.
Zanoni
,
S.
Zeltner
, and
Y.
Zhang
,
J. Phys. D Appl. Phys.
51
,
163001
(
2018
).
16.
P. K.
Schelling
,
L.
Shi
, and
K. E.
Goodson
,
Mater. Today
8
,
30
(
2005
).
17.
H.
Dong
,
B.
Wen
, and
R.
Melnik
,
Sci. Rep.
4
,
7037
(
2014
).
18.
R. B.
Simon
,
J.
Anaya
,
F.
Faili
,
R.
Balmer
,
G. T.
Williams
,
D. J.
Twitchen
, and
D. M.
Kuball
,
Appl. Phys. Express
9
,
061302
(
2016
).
19.
L.
Yates
,
J.
Anderson
,
X.
Gu
,
C.
Lee
,
T.
Bai
,
M.
Mecklenburg
,
T.
Aoki
,
M. S.
Goorsky
,
M.
Kuball
,
E. L.
Piner
, and
S.
Graham
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
24302
(
2018
).
20.
Y.
Zhou
,
J.
Anaya
,
J.
Pomeroy
,
H.
Sun
,
X.
Gu
,
A.
Xie
,
E.
Beam
,
M.
Becker
,
T. A.
Grotjohn
,
C.
Lee
, and
M.
Kuball
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
34416
(
2017
).
21.
S.
Lee
,
S.
Song
,
V.
Au
, and
K. P.
Moran
, in Proceedings of the ASME-JSME Thermal Engineering Joint Conference, Maui, Hawaii (1995), Vol. 4, pp. 199–206.
22.
Y.
Zhou
,
R.
Ramaneti
,
J.
Anaya
,
S.
Korneychuk
,
J.
Derluyn
,
H.
Sun
,
J.
Pomeroy
,
J.
Verbeeck
,
K.
Haenen
, and
M.
Kuball
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
041901
(
2017
).
23.
Y. S.
Muzychka
,
M. M.
Yovanovich
, and
J. R.
Culham
, “
Influence of geometry and edge cooling on thermal spreading resistance
,”
J. Thermophys. Heat Transf.
20
(
2
),
247
225
(
2008
).
24.
K. R.
Bagnall
,
Y. S.
Muzychka
, and
E. N.
Wang
,
IEEE Trans. Compon. Packaging Manuf. Technol.
4
,
817
(
2014
).
25.
W. B.
Joyce
and
R. W.
Dixon
,
J. Appl. Phys.
46
,
855
(
1975
).
26.
G. A.
Slack
,
J. Appl. Phys.
35
,
3460
(
1964
).
27.
P.
Nath
and
K. L.
Chopra
, “
Thermal conductivity of copper films
,”
Thin Solid Films
20
(
1
),
53
62
(
1974
).
28.
A. A.
Balandin
,
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
I.
Calizo
,
D.
Teweldebrhan
,
F.
Miao
, and
C. N.
Lau
,
Nano Lett.
8
,
902
(
2008
).
29.
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
10
,
569
(
2011
).
30.
S.
Ghosh
,
W.
Bao
,
D. L.
Nika
,
S.
Subrina
,
E. P.
Pokatilov
,
C. N.
Lau
, and
A. A.
Balandin
,
Nat. Mater.
9
,
555
(
2010
).
31.
M.
Seelmann-Eggebert
,
P.
Meisen
,
F.
Schaudel
,
P.
Koidl
,
A.
Vescan
, and
H.
Leier
, “
Heat-spreading diamond films for GaN-based high-power transistor devices
,”
Diam. Relat. Mater.
10
(
3–7
),
744
749
(
2001
).
32.
T. J.
Anderson
,
K. D.
Hobart
,
M. J.
Tadjer
,
A. D.
Koehler
,
T. I.
Feygelson
,
J. K.
Hite
,
B. B.
Pate
,
F. J.
Kub
, and
C. R.
Eddy
,
ECS Trans.
61
,
45
(
2014
).
33.
M.
Alomari
,
M.
Dipalo
,
S.
Rossi
,
M. A.
Diforte-Poisson
,
S.
Delage
,
J. F.
Carlin
,
N.
Grandjean
,
C.
Gaquiere
,
L.
Toth
,
B.
Pecz
, and
E.
Kohn
,
Diam. Relat. Mater.
20
,
604
(
2011
).
34.
T. J.
Anderson
,
K. D.
Hobart
,
M. J.
Tadjer
,
A. D.
Koehler
,
E. A.
Imhoff
,
J. K.
Hite
,
T. I.
Feygelson
,
B. B.
Pate
,
C. R.
Eddy
, and
F. J.
Kub
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3036
(
2017
).
35.
R. A.
Khadar
,
C.
Liu
,
L.
Zhang
,
P.
Xiang
,
K.
Cheng
, and
E.
Matioli
,
IEEE Electron. Device Lett.
39
,
401
(
2018
).
36.
J.
Kuzmík
,
S.
Bychikhin
,
D.
Pogany
,
C.
Gaquìre
,
E.
Pichonat
, and
E.
Morvan
,
J. Appl. Phys.
101
,
054508
(
2007
).
37.
J.
Anaya
,
S.
Rossi
,
M.
Alomari
,
E.
Kohn
,
L.
Tóth
,
B.
Pécz
,
K. D.
Hobart
,
T. J.
Anderson
,
T. I.
Feygelson
,
B. B.
Pate
, and
M.
Kuball
,
Acta Mater.
103
,
141
(
2016
).
38.
J.
Anaya
,
S.
Rossi
,
M.
Alomari
,
E.
Kohn
,
L.
Tóth
,
B.
Pécz
, and
M.
Kuball
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
223101
(
2015
).
39.
V.
Linseis
,
F.
Völklein
,
H.
Reith
,
P.
Woias
, and
K.
Nielsch
,
J. Electron. Mater.
47
,
3203
(
2018
).
40.
T.
Yamane
,
N.
Nagai
,
S. I.
Katayama
, and
M.
Todoki
,
J. Appl. Phys.
91
,
9772
(
2002
).
41.
A.
Manoi
,
J. W.
Pomeroy
,
N.
Killat
, and
M.
Kuball
,
IEEE Electron. Device Lett.
31
,
1395
(
2010
).
You do not currently have access to this content.