Kolmanda -põlvkonna pooljuhtseadmed, nagu galliumnitriid (GaN) ja ränikarbiid (SiC) on järk-järgult-tuntuks saanud tänu nende kiirele arengule sellistes valdkondades nagu uued energiasõidukid ja olmeelektroonika. Uute rakendusstsenaariumide, nagu tehisintellekt, andmekeskused ja droonid, esilekerkimine on aga paljastanud teatud kitsaskohad olemasolevates materjalisüsteemides. Selles kontekstis on hakanud tekkima neljanda -põlvkonna pooljuhtmaterjalid, mida esindab galliumoksiid (Ga₂O₃). Nendel materjalidel on laiemad ribalaiused, suhteliselt väiksemad dielektrilised konstandid, suured läbilöögiväljatugevused ja teatud eelised materjali stabiilsuses. Kuid galliumoksiidi madal soojusjuhtivus (10–27 W/m·K) muudab selle väga vastuvõtlikuks ebaühtlasele temperatuurijaotusele seadme töö ajal, mõjutades seeläbi seadme jõudlust ja eluiga. Seetõttu on termiline juhtimine galliumoksiidi seadmete väljatöötamisel ülioluline.
Galliumoksiid (Ga₂O₃) on üli-laia ribalaiusega pooljuhtmaterjal, millel on viis kristallifaasi: , , , ε ja δ. Tavaliselt esineb see -faasis (selles artiklis käsitletakse -faasi Ga₂O₃). Selle ribalaius on ligikaudu 4,85 eV, mis on kõrgem kui ränikarbiidi 3,2 eV ja galliumnitriidi 3,39 eV. Laiem ribalaius tähendab, et elektronid vajavad valentsribalt juhtivusribale üleminekuks rohkem energiat, mis võimaldab galliumoksiidil stabiilselt töötada kõrge temperatuuri ja kõrge pingega keskkondades. Nagu on näidatud allolevas tabelis, on galliumoksiidil äärmiselt suur läbilöögi elektriväli (teoreetiline väärtus kuni 8 MV/cm), mis on rohkem kui 20 korda suurem kui ränil ja oluliselt kõrgem kui ränikarbiidil ja galliumnitriidil. See tähendab, et sama pinge all saab galliumoksiidi seadmeid muuta väga õhukeseks, mis võimaldab süsteemi miniaturiseerida ja kergendada{15}}põhinõudeid sellistes valdkondades nagu uued energiasõidukid ja droonid. Lisaks on galliumoksiid võrreldes ränikarbiidi ja galliumnitriidiga üks väheseid kristallmaterjale, mida saab atmosfäärirõhul{17}}sulatusmeetodil kasvatada. Praegu on mitmed asutused kogu maailmas saavutanud 6-tolliste galliumoksiidplaatide valmistamise.
Soojusjuhtimise lahendused
1. Heterogeenne integratsioon (praegune kõige tõhusam lahendus)
Heterogeensete integreerimismeetodite kasutamine galliumoksiidi kristallide õhukeste kilede ülekandmiseks kõrge-soojusjuhtivusega-substraatidele, et moodustada heterogeenseid galliumoksiidiga integreeritud vahvleid, on tõhus viis galliumoksiidi madala soojusjuhtivuse kitsaskoha kõrvaldamiseks.
Meeskond on edukalt välja töötanud ioonide implanteerimise{0}}ühendamise ja koorimise tehnoloogia galliumoksiidplaatide jaoks. See tehnoloogia hõlmab ioonide implanteerimist galliumoksiidi vahvlisse, et moodustada sees äärmiselt õhuke kahjustatud kiht, siduda see ränikarbiidsubstraadiga ja seejärel lõõmutamine, et õhuke kile täpselt koorida ja kahjustatud kihti üle kanda, saavutades galliumoksiidi õhukese kile heterogeense integreerimise kõrge -}termilise juhtivusega{{3}. Selle tehnoloogia põhjal on Ga₂O₃-on-SiC-seadmetel oluliselt paranenud soojusülekandevõime. Heterogeense integreeritud galliumoksiidi õhukese kile soojusjuhtivus ulatub 9,0 W/m·K-ni, mis on kahekordistunud võrreldes enne lõõmutamist, samas kui liidese soojustakistus väheneb ühe-kolmandikuni selle algsest väärtusest. Pärast kõrgel temperatuuril lõõmutamist läheneb ränikarbiidil põhineva heterogeense integreeritud galliumoksiidvahvli termiline difusioonikiirus ränikarbiidi puistematerjalide omale, ületades tunduvalt galliumoksiidi puistematerjali oma.
2. Koostööline soojusdisain seadme ja pakendi tasandil
1. Substraadi lahjendamine
Soojustakistus on põhiparameeter, mis mõõdab materjali soojusjuhtivuse raskust ja on otseselt võrdeline materjali paksusega. Substraadi vedeldamise tehnoloogia lühendab soojusjuhtivuse teed, võimaldades aktiivses piirkonnas tekkival soojusel hajuda, säilitades seeläbi -Ga₂O₃ seadmete temperatuuri stabiilsuse töötamise ajal ja hoides ära töövõime halvenemise ülemäärasest temperatuurist.
Seki et al. vähendas -Ga₂O₃ Schottky barjääridioodide soojustakistust ühe- kolmandiku võrra, vähendades substraadi paksust 250 μm-lt 100 μm-le.
2. Ristmik-Külgjahutus
Alumine jahutus: alumine jahutamine on kõige levinum meetod, mille puhul -Ga₂O₃ materjalivirn on integreeritud kõrge -soojusjuhtivusega- heterogeense substraadiga ja konstantse -temperatuuriga jahutusradiaator või konvektiivsed piirtingimused rakendatakse substraadi põhjale. Tekkiv soojus hajub madala -soojusjuhtivuse- -Ga₂O₃ kihi, -Ga₂O₃/substraadi termilise liidese ja substraadi kaudu jahutusradiaatorisse. Alumine jahutus sobib suure -soojustakistusega-pooljuhtide jaoks (nt ränikarbiid ja teemant), kuid madala -soojustakistusega-pooljuhtide (nt galliumnitriid) puhul ei pruugi see tõhusat soojusjuhtimist saavutada.
Ülemine jahutus: pealmine jahutus kasutab omavahel ühendatud struktuuri, kus allika, äravoolu ja värava kontaktpadjad on ühendatud suure -soojusjuhtivusega-substraadiga mikro-konaruste kaudu ja kapseldatud polümeeri-põhise alustäitematerjaliga. Soojus juhitakse seadmest -Ga₂O₃ kõrge -soojusjuhtivusega-materjali (metallist padjad ja konarlikud ühendused) ning seejärel fikseeritud või konvektiivsete piirtingimustega aluspinnale ja jahutusradiaatorisse. Selle lähenemisviisi korral juhitakse soojus otse seadme ristmikust pakendisse, mitte läbi seadme korpuse. Ülemine jahutus vähendab märkimisväärselt ristmiku -korpuse{11}}soojustakistust, parandades seeläbi võimsustihedust. See jahutusmeetod sobib madala -soojustakistusega-pooljuhtide jaoks.
Kahepoolne{0}}jahutus: kahepoolne-jahutus ühendab alumise ja ülemise jahutuse eelised, hajutades soojust kiibi mõlemalt küljelt, pakkudes paremat soojusjuhtimist. See sobib ülimalt-laia ribalaiusega ja madala soojustakistusega materjalide jaoks.
3. Mikrofluidjahutus
Mikrofluidsed jahutusmeetodid hõlmavad mikrokanaliga jahutamist ja joaga kokkupõrkega jahutamist. Ehitades seadme -Ga₂O₃ lähedale mikrokanalite struktuure, suurendab mikrokanalite väike suurus jahutusvedeliku ja kanali seinte vahelist soojusvahetusala, võimaldades kiiret soojusülekannet seadmest jahutusvedelikku, mis seejärel eemaldub. Joaga kokkupõrkega jahutamine hõlmab jahutusvedeliku suurel kiirusel otse -Ga₂O₃ seadme pinnale suunamist, luues lokaalsetes piirkondades intensiivse konvektiivse soojusülekande, et soojust kiiresti eemaldada.