论文推介丨超宽带隙氧化镓功率器件热管理的研究进展 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

氧化镓(Ga2O3)作为一种超宽禁带半导体材料，禁带宽度达到4.9 eV，高于碳化硅的3.2 eV和氮化镓的3.39 eV。更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。但是氧化镓的低热导率是其功率器件发展的最大瓶颈，特别是在高功率密度下，高效散热成为一个巨大的挑战。因此，开发全新的热管理和封装技术变得极为迫切。通过材料、器件和封装多层面的热管理缓解自热引发的性能与可靠性问题成为关键。

《人工晶体学报》2025年第2期“氧化镓晶体与器件”专题（上辑）推出了来自哈尔滨工业大学（深圳），微纳光电信息系统理论与技术工业和信息化部重点实验室孙华锐教授团队的长篇综述文章《超宽带隙氧化镓功率器件热管理的研究进展》（第一作者：谢银飞；通信作者：孙华锐）。作者综述了超宽带隙氧化镓功率器件的热管理，针对相关挑战、潜在解决方案和研究机遇提出了观点。首先介绍了超宽带隙氧化镓的特性及其在电子器件领域的重要性，详细阐述了热管理在氧化镓器件中的关键意义。随后，从不同的热管理技术方面，包括衬底相关技术和结侧热管理技术等进行深入探讨，并分析了热管理对氧化镓器件电学性能的影响。最后，对氧化镓器件热管理的未来发展趋势进行展望，提出了“材料-器件-封装”电热协同设计、近结异质集成和新型外部封装等多维度的热管理策略，旨在唤起相关研究，加快超宽带隙氧化镓功率器件的开发和产业化进程。

论文题录●●

谢银飞, 何阳, 刘伟业, 徐文慧, 游天桂, 欧欣, 郭怀新, 孙华锐. 超宽带隙氧化镓功率器件热管理的研究进展[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(2): 290-311.

XIE Yinfei, HE Yang, LIU Weiye, XU Wenhui, YOU Tiangui, OU Xin, GUO Huaixin, SUN Huarui. Recent Progress on Thermal Management of Ultrawide Bandgap Gallium Oxide Power Devices[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2025, 54(2): 290-311.

//章节结构

0　引言

1　超宽带隙氧化镓的特性与应用

1.1　氧化镓的物理特性

　1.1.1　超宽带隙

　1.1.2　高击穿电场和化学稳定性

　1.1.3　低且各向异性的热导率

1.2　氧化镓在电子器件中的应用

　1.2.1　功率器件

　1.2.2　日盲紫外探测器

　1.2.3　射频器件

2　热管理在超宽带隙氧化镓器件中的重要性

2.1　提升性能表现

2.2　提高器件可靠性

3　超宽带隙氧化镓器件的热管理技术

3.1　衬底相关的热管理技术

　3.1.1　衬底减薄技术

　3.1.2　高导热率衬底集成

3.2　结侧冷却方案

　3.2.1　底部冷却

　3.2.2　顶部冷却

　3.2.3　双侧冷却

3.3　倒装芯片集成

3.4　微流体冷却

4　热管理对超宽带隙氧化镓器件电学性能的影响

4.1　热-电性能耦合

4.2　热设计对电学性能的优化

5　超宽带隙氧化镓器件热管理技术的展望

5.1　电热协同设计

5.2　近结异质集成

5.3　新型外部封装

6　结论

//图文导读

热管理在氧化镓功率器件的性能优化与可靠性保障方面扮演着不可或缺的角色。热管理本质上是对功率器件及其封装内部热量移除过程的有效控制，涉及多维度、多因素的复杂交互作用。如图1所示，器件结区产生的热量通常需要通过封装结构进行传导，传递到一个能够进一步实现热量散发的区域。在这个过程中，常见的散热方式为对流散热，包括空气冷却和液体冷却等方式。在整个热量传导的复杂路径中，结区的微米和亚微米尺寸的器件结构、半导体材料及其界面特性、封装架构设计、封装材料的热学性能以及冷却技术的有效性等诸多因素，都对确定沿热流方向的热阻有着至关重要的影响。这些因素并非孤立存在，而是相互依存、相互影响，形成一个复杂的耦合关系。