Trešās -paaudzes pusvadītāju ierīces, piemēram, gallija nitrīds (GaN) un silīcija karbīds (SiC), pakāpeniski ir kļuvušas plaši pazīstamas, jo tās strauji attīstās tādās jomās kā jauni enerģijas transportlīdzekļi un plaša patēriņa elektronika. Tomēr jaunu lietojumu scenāriju, piemēram, mākslīgā intelekta, datu centru un dronu, parādīšanās ir atklājusi zināmas vājās vietas esošajās materiālu sistēmās. Šajā kontekstā ir sākuši parādīties ceturtās -paaudzes pusvadītāju materiāli, ko pārstāv gallija oksīds (Ga₂O₃). Šiem materiāliem ir plašākas joslas spraugas, relatīvi mazākas dielektriskās konstantes, lielas pārrāvuma lauka intensitātes un noteiktas materiāla stabilitātes priekšrocības. Tomēr gallija oksīda zemā siltumvadītspēja (10–27 W/m·K) padara to ļoti jutīgu pret nevienmērīgu temperatūras sadalījumu ierīces darbības laikā, tādējādi ietekmējot ierīces veiktspēju un kalpošanas laiku. Tāpēc termiskā vadība ir ļoti svarīga gallija oksīda ierīču izstrādē.
Gallija oksīds (Ga₂O₃) ir īpaši -platas joslas pusvadītāju materiāls ar piecām kristāliskām fāzēm: , , , ε un δ. Tas parasti pastāv -fāzē (šajā rakstā ir apskatīta -ga₂O₃ fāze). Tās joslas platums ir aptuveni 4,85 eV, kas ir lielāks nekā silīcija karbīda 3,2 eV un gallija nitrīda 3,39 eV. Plašāka joslas sprauga nozīmē, ka elektroniem ir nepieciešams vairāk enerģijas, lai pārietu no valences joslas uz vadīšanas joslu, ļaujot gallija oksīdam stabili darboties augstas temperatūras un augsta sprieguma apstākļos. Kā parādīts tabulā zemāk, gallija oksīdam ir ārkārtīgi augsts sabrukšanas elektriskais lauks (teorētiskā vērtība līdz 8 MV/cm), kas ir vairāk nekā 20 reizes lielāks nekā silīcijam un ievērojami augstāks nekā silīcija karbīdam un gallija nitrīdam. Tas nozīmē, ka ar tādu pašu spriegumu gallija oksīda ierīces var padarīt ļoti plānas, nodrošinot sistēmas miniaturizāciju un atvieglojot{15}}galvenās prasības tādās jomās kā jauni enerģijas transportlīdzekļi un bezpilota lidaparāti. Turklāt, salīdzinot ar silīcija karbīdu un gallija nitrīdu, gallija oksīds ir viens no nedaudzajiem kristāla materiāliem, ko var audzēt, izmantojot atmosfēras{17}}spiediena kausēšanas metodi. Pašlaik vairākas iestādes visā pasaulē ir panākušas 6 collu gallija oksīda vafeļu sagatavošanu.
Siltuma pārvaldības risinājumi
1. Heterogēnā integrācija (pašreizējais visefektīvākais risinājums)
Neviendabīgu integrācijas metožu izmantošana, lai pārsūtītu atsevišķas -kristāla gallija oksīda plānas kārtiņas uz substrātiem ar augstu-siltumvadītspēju{2}}, lai veidotu heterogēnas integrētas gallija oksīda plāksnes, ir efektīvs veids, kā novērst gallija oksīda zemās siltumvadītspējas problēmas.
Komanda ir veiksmīgi izstrādājusi jonu implantācijas{0}}saistīšanas un lobīšanās tehnoloģiju gallija oksīda plāksnēm. Šī tehnoloģija ietver jonu implantēšanu gallija oksīda plāksnītē, lai iekšpusē izveidotu ārkārtīgi plānu bojātu slāni, savienojot to ar silīcija karbīda substrātu, un pēc tam atkvēlināšanu, lai precīzi nolobītu un pārnestu plāno kārtiņu pa bojāto slāni, panākot gallija oksīda plānās kārtiņas neviendabīgu integrāciju ar augstu -}termisko vadītspēju{3}. Pamatojoties uz šo tehnoloģiju, Ga₂O₃-on-SiC ierīcēm ir ievērojami uzlabotas siltuma pārneses iespējas. Neviendabīgās integrētās gallija oksīda plānās plēves siltumvadītspēja sasniedz 9,0 W/m·K, kas ir dubultā salīdzinājumā ar pirms atkausēšanas, savukārt saskarnes termiskā pretestība ir samazināta līdz vienai -trešdaļai no tās sākotnējās vērtības. Pēc augstas temperatūras atkausēšanas silīcija karbīda{12}}neviendabīgā integrētā gallija oksīda plāksnītes termiskās difūzijas ātrums tuvojas lielapjoma silīcija karbīda materiāla termiskās difūzijas ātrumam, kas ievērojami pārsniedz masīva gallija oksīda materiāla termiskās difūzijas ātrumu.
2. Sadarbības termiskā projektēšana ierīces un iepakojuma līmeņos
1. Pamatnes atšķaidīšana
Termiskā pretestība ir galvenais parametrs, kas mēra materiāla siltuma vadīšanas grūtības un ir tieši proporcionāls materiāla biezumam. Substrāta retināšanas tehnoloģija saīsina siltuma vadīšanas ceļu, ļaujot aktīvajā reģionā radītajam siltumam izkliedēties, tādējādi saglabājot -Ga₂O₃ ierīču temperatūras stabilitāti darbības laikā un novēršot veiktspējas pasliktināšanos, ko izraisa pārmērīga temperatūra.
Seki et al. samazināja -Ga₂O₃ Šotkija barjerdiožu termisko pretestību par vienu-, samazinot substrāta biezumu no 250 μm līdz 100 μm.
2. Savienojums-Sānu dzesēšana
Apakšējā dzesēšana: apakšējā dzesēšana ir visizplatītākā metode, kurā -Ga₂O₃ materiāla skursteņi ir integrēti ar augstas -termiskās vadītspējas-neviendabīgu substrātu, un substrāta apakšā tiek izmantota nemainīga-temperatūras siltuma izlietne vai konvekcijas robežnosacījumi. Radītais siltums tiek izkliedēts caur zemas -siltuma vadītspējas- -Ga₂O₃ slāni, -Ga₂O₃/substrāta termisko saskarni un substrātu uz siltuma izlietni. Apakšējā dzesēšana ir piemērota augstas -termiskās-pretestības pusvadītājiem (piem., silīcija karbīdam un dimantiem), taču, iespējams, nevar nodrošināt efektīvu siltuma pārvaldību pusvadītājiem ar zemu -termisko{15}}pretestību (piemēram, gallija nitrīdu).
Augšējā dzesēšana: augšējā dzesēšana izmanto starpsavienojumu struktūru, kurā avota, kanalizācijas un vārtu kontaktu paliktņi ir savienoti ar augstas -siltuma vadītspējas- substrātu, izmantojot mikro-izciļņus, un iekapsulēti ar polimēra-aizpildījuma materiālu. Siltums tiek novadīts no -Ga₂O₃ ierīces uz augstas-siltuma vadītspējas-materiālu (metāla paliktņiem un izciļņu savienojumiem) un pēc tam uz pamatni un siltuma izlietni ar fiksētiem vai konvektīviem robežnosacījumiem. Šajā pieejā siltums tiek tieši novadīts no ierīces savienojuma vietas uz iepakojumu, nevis caur ierīces korpusu. Augšējā dzesēšana ievērojami samazina savienojuma{10}}uz{11}}korpusa termisko pretestību, tādējādi uzlabojot jaudas blīvumu. Šī dzesēšanas metode ir piemērota pusvadītājiem ar zemu -termisko pretestību{14}}.
Divpusējā-dzesēšana: abpusējā Tas ir ļoti piemērots īpaši-platas joslas materiāliem ar zemu termisko pretestību.
3. Mikrofluidiskā dzesēšana
Mikrofluidiskās dzesēšanas metodes ietver mikrokanālu dzesēšanu un dzesēšanu ar strūklas triecienu. Konstruējot mikrokanālu struktūras netālu no -Ga₂O₃ ierīces, mikrokanālu mazais izmērs palielina siltuma apmaiņas laukumu starp dzesēšanas šķidrumu un kanāla sienām, nodrošinot ātru siltuma pārnesi no ierīces uz dzesēšanas šķidrumu, kas pēc tam tiek aizvadīts. Strūklas dzesēšana ietver dzesēšanas šķidruma novirzīšanu lielā ātrumā tieši uz -Ga₂O₃ ierīces virsmu, radot intensīvu konvektīvu siltuma pārnesi lokalizētās vietās, lai ātri noņemtu siltumu.