由西安理工大學與西安電子科技大學的研究團隊在學術期刊 Materials Today Communications 發布了一篇名為Precise thermal dissipation of Ga₂O₃ devices integrated with diamond heat spreading layer（集成金剛石散熱層的 Ga₂O₃ 器件的精確散熱分析）的文章。

1. 項目支持

本研究得到國家自然科學基金委員會（Grant Nos. 62404180、62474139、62171367、 92364101），西安市科技計劃項目（No. 2023JH-GXRC0122）以及西安市科學技術協會青年人才基金（No. 0959202513045）。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其超寬禁帶和高擊穿場強等優越特性，在下一代大功率電子器件領域備受矚目。然而 β-Ga₂O₃ 的一個致命弱點是其極低的熱導率，這會導致器件在高功率密度下工作時產生嚴重的自熱效應，不僅限制了器件的性能輸出，還嚴重影響其長期可靠性。 為了克服瓶頸，最有效的策略之一是將 Ga₂O₃ 與具有超高熱導率的金剛石進行異質集成。通過將金剛石作為散熱襯底或散熱層，可以為 Ga₂O₃ 器件提供一條高效的熱量導出路徑。目前，已有研究通過將 Ga₂O₃ 納米膜轉移鍵合到金剛石襯底上來驗證這種散熱方案的可行性。但是對于這種異質結構中的熱傳輸物理過程，特別是 Ga₂O₃/金剛石邊界熱阻（TBR）的精確理解和量化，仍然是一個挑戰。精確測量和理解 TBR 對于優化器件的熱設計和準確預測其工作溫度至關重要。

3. 主要內容

β-Ga₂O₃ 在高壓和射頻器件中具有廣闊應用前景，但其較低熱導率導致器件溫度過高。與高熱導率材料（如金剛石）的集成以及結構優化是可能的解決方案。然而，仿真工作中通常對 Ga₂O₃ 厚度和體熱導率做出簡化假設。本研究采用 3D 有限元熱分析，探討 β-Ga₂O₃/金剛石冷卻策略，考慮了 Ga₂O₃ 和金剛石熱導率的各向異性及其與厚度依賴性。分析了層厚度、Ga₂O₃/金剛石界面熱導、功率密度以及雙面金剛石熱散熱層對結溫的影響。結果表明，Ga₂O₃ 熱導率的各向異性對準確預測溫度至關重要，而金剛石材料的各向異性可忽略不計。在 5% 的誤差范圍內，僅使用金剛石襯底時，Ga₂O₃ 熱導率的厚度依賴性可忽略不計；而在雙面金剛石冷卻條件下，Ga₂O₃ 的厚度依賴性和各向異性均可忽略。本研究有助于 Ga₂O₃/金剛石器件的熱管理及準確溫度預測。

4. 結論

Ga₂O₃-金剛石集成結構的有限元模擬表明，跨平面熱導率是決定器件溫度的主要因素，尤其在高邊界熱阻（TBC）條件下。為了實現準確的熱預測，必須考慮各向異性的 Ga₂O₃ 熱導率模型，而金剛石熱導率的各向異性可以忽略不計。在 5% 的誤差范圍內，Ga₂O₃ 熱導率與厚度依賴性可以忽略。相較于僅使用金剛石襯底的設計，通過優化晶體取向和 TBC 并在頂部添加金剛石層，可將 0.4 μm厚 Ga₂O₃ 器件的最大功率密度提升 55.3%（至 8.7 W⋅mm^-1）。頂部金剛石的散熱效率隨 TBC 升高和 Ga₂O₃ 跨平面熱導率降低而提升。進一步增加其厚度可持續降低溫度，尤其對較厚或熱導率較低的 Ga₂O₃ 層（盡管增益有限）。更重要的是，頂部金剛石層可減弱 Ga₂O₃ 熱導率各向異性和厚度的影響，在 5% 誤差范圍內 Ga₂O₃ 熱導率的各向異性可被忽略。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.113191

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號