西安理工大学＆西安电子科技大学---集成金刚石散热层的Ga₂O₃器件的精确散 ...

摘要: 由西安理工大学与西安电子科技大学的研究团队在学术期刊Materials Today Communications发布了一篇名为Precise thermal dissipation of Ga2O3 devices integrated with diamond heat spreading layer（集成金刚石散 ...

由西安理工大学与西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Communications 发布了一篇名为Precise thermal dissipation of Ga2O3 devices integrated with diamond heat spreading layer（集成金刚石散热层的 Ga2O3 器件的精确散热分析）的文章。

项目支持

本研究得到国家自然科学基金委员会（Grant Nos. 62404180、62474139、62171367、 92364101），西安市科技计划项目（No. 2023JH-GXRC0122）以及西安市科学技术协会青年人才基金（No. 0959202513045）。

背景

β-氧化镓（β-Ga2O3）因其超宽禁带和高击穿场强等优越特性，在下一代大功率电子器件领域备受瞩目。然而 β-Ga2O3 的一个致命弱点是其极低的热导率，这会导致器件在高功率密度下工作时产生严重的自热效应，不仅限制了器件的性能输出，还严重影响其长期可靠性。为了克服瓶颈，最有效的策略之一是将 Ga2O3 与具有超高热导率的金刚石进行异质集成。通过将金刚石作为散热衬底或散热层，可以为 Ga2O3 器件提供一条高效的热量导出路径。目前，已有研究通过将 Ga2O3 纳米膜转移键合到金刚石衬底上来验证这种散热方案的可行性。但是对于这种异质结构中的热传输物理过程，特别是 Ga2O3/金刚石边界热阻（TBR）的精确理解和量化，仍然是一个挑战。精确测量和理解 TBR 对于优化器件的热设计和准确预测其工作温度至关重要。

主要内容

β-Ga2O3 在高压和射频器件中具有广阔应用前景，但其较低热导率导致器件温度过高。与高热导率材料（如金刚石）的集成以及结构优化是可能的解决方案。然而，仿真工作中通常对 Ga2O3 厚度和体热导率做出简化假设。本研究采用 3D 有限元热分析，探讨 β-Ga2O3/金刚石冷却策略，考虑了 Ga2O3 和金刚石热导率的各向异性及其与厚度依赖性。分析了层厚度、Ga2O3/金刚石界面热导、功率密度以及双面金刚石热散热层对结温的影响。结果表明，Ga2O3 热导率的各向异性对准确预测温度至关重要，而金刚石材料的各向异性可忽略不计。在 5% 的误差范围内，仅使用金刚石衬底时，Ga2O3 热导率的厚度依赖性可忽略不计；而在双面金刚石冷却条件下，Ga2O3 的厚度依赖性和各向异性均可忽略。本研究有助于 Ga2O3/金刚石器件的热管理及准确温度预测。

结论

Ga2O3-金刚石集成结构的有限元模拟表明，跨平面热导率是决定器件温度的主要因素，尤其在高边界热阻（TBC）条件下。为了实现准确的热预测，必须考虑各向异性的 Ga2O3 热导率模型，而金刚石热导率的各向异性可以忽略不计。在 5% 的误差范围内，Ga2O3 热导率与厚度依赖性可以忽略。相较于仅使用金刚石衬底的设计，通过优化晶体取向和 TBC 并在顶部添加金刚石层，可将 0.4 μm厚 Ga2O3 器件的最大功率密度提升 55.3%（至 8.7 W⋅mm-1）。顶部金刚石的散热效率随 TBC 升高和 Ga2O3 跨平面热导率降低而提升。进一步增加其厚度可持续降低温度，尤其对较厚或热导率较低的 Ga2O3 层（尽管增益有限）。更重要的是，顶部金刚石层可减弱 Ga2O3 热导率各向异性和厚度的影响，在 5% 误差范围内 Ga2O3 热导率的各向异性可被忽略。