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

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。

1. 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）。

2. 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。

3. 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。

4. 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。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.113191

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号