Tredje-generations halvlederenheder såsom galliumnitrid (GaN) og siliciumcarbid (SiC) er efterhånden blevet velkendte-på grund af deres hurtige udvikling inden for områder som nye energikøretøjer og forbrugerelektronik. Men fremkomsten af nye applikationsscenarier såsom kunstig intelligens, datacentre og droner har afsløret visse flaskehalse i de eksisterende materialesystemer. I denne sammenhæng er fjerde-generations halvledermaterialer repræsenteret ved galliumoxid (Ga₂O₃) begyndt at dukke op. Disse materialer har bredere båndgab, relativt mindre dielektriske konstanter, høje nedbrydningsfeltstyrker og visse fordele i materialestabilitet. Galliumoxids lave termiske ledningsevne (10–27 W/m·K) gør det imidlertid meget modtageligt for ujævn temperaturfordeling under enhedens drift, hvilket påvirker enhedens ydeevne og levetid. Derfor er termisk styring afgørende for udviklingen af galliumoxidenheder.
Galliumoxid (Ga₂O₃) er et halvledermateriale med ultra-bredt båndgab med fem krystallinske faser: , , , ε og δ. Det eksisterer typisk i -fasen (denne artikel diskuterer -fasen Ga₂O₃). Dens båndgab-bredde er cirka 4,85 eV, højere end siliciumcarbids 3,2 eV og galliumnitrids 3,39 eV. Et bredere båndgab betyder, at elektroner kræver mere energi for at gå fra valensbåndet til ledningsbåndet, hvilket gør det muligt for galliumoxid at fungere stabilt i høje-temperatur- og{10}højspændingsmiljøer. Som vist i nedenstående tabel har galliumoxid et ekstremt højt elektrisk nedbrydningsfelt (teoretisk værdi op til 8 MV/cm), hvilket er mere end 20 gange større end silicium og væsentligt højere end siliciumcarbid og galliumnitrid. Det betyder, at under samme spænding kan galliumoxidenheder gøres meget tynde, hvilket muliggør systemminiaturisering og letvægts-nøglekrav inden for områder som nye energikøretøjer og droner. Sammenlignet med siliciumcarbid og galliumnitrid er galliumoxid desuden et af de få krystalmaterialer, der kan dyrkes ved hjælp af den atmosfæriske-tryksmeltemetode. I øjeblikket har flere institutioner verden over opnået fremstillingen af 6-tommers galliumoxidskiver.
Termiske styringsløsninger
1. Heterogen integration (nuværende mest effektive løsning)
Brug af heterogene integrationsmetoder til at overføre enkelt-krystal-galliumoxid-tynde film til substrater med høj-termisk-ledningsevne for at danne galliumoxid-heterogene integrerede wafere er en effektiv måde at løse flaskehalsen med lav termisk ledningsevne i galliumoxid.
Et team har med succes udviklet en ionimplantations-bindings- og eksfolieringsteknologi til galliumoxidskiver. Denne teknologi involverer implantering af ioner i galliumoxid-waferen for at danne et ekstremt tyndt beskadiget lag indeni, binde det til et siliciumcarbidsubstrat og derefter udglødning for præcist at eksfoliere og overføre den tynde film langs det beskadigede lag, hvilket opnår heterogen integration af galliumoxid-tyndfilmen med en højkonduktiv substrat}-termisk ledningsevne{{2}. Baseret på denne teknologi udviser Ga₂O₃-on-SiC-enhederne væsentligt forbedrede termiske transportegenskaber. Den termiske ledningsevne af den heterogene integrerede galliumoxid-tynde film når 9,0 W/m·K, en fordobling i forhold til før udglødning, mens grænsefladens termiske modstand reduceres til en -tredjedel af dens oprindelige værdi. Efter høj-temperaturudglødning nærmer den termiske diffusionshastighed for den siliciumcarbid-baserede heterogene integrerede, integrerede wafer sig til den for bulk-siliciumcarbidmateriale, hvilket langt overstiger den for bulk-galliumoxidmateriale.
2. Samarbejdet termisk design på enheds- og emballageniveauer
1. Udtynding af underlag
Termisk modstand er en nøgleparameter, der måler sværhedsgraden af varmeledning i et materiale og er direkte proportional med materialets tykkelse. Substratfortyndingsteknologi forkorter varmeledningsvejen, hvilket tillader varme, der genereres i det aktive område, at sprede sig, hvorved temperaturstabiliteten for -Ga₂O₃-enheder opretholdes under drift og forhindrer ydeevneforringelse forårsaget af for høje temperaturer.
Seki et al. reduceret den termiske modstand af -Ga₂O₃ Schottky-barrieredioder med en- tredjedel ved at reducere substrattykkelsen fra 250 μm til 100 μm.
2. Junction-Sidekøling
Bundkøling: Bundkøling er den mest almindelige metode, hvor -Ga₂O₃-materialestablen er integreret med et heterogent substrat med høj-termisk-ledningsevne, og en konstant-temperatur-køleplade eller konvektive grænsebetingelser påføres bunden af substratet. Den genererede varme spredes gennem den lave-termiske-ledningsevne -Ga₂O₃-laget, den termiske grænseflade -Ga₂O₃/substratet og substratet til kølepladen. Bundkøling er velegnet til halvledere med høj-termisk-modstand (f.eks. siliciumcarbid og diamant), men opnår muligvis ikke effektiv termisk styring for halvledere med lav-termisk-modstand (f.eks. galliumnitrid).
Topkøling: Topkøling anvender en sammenkoblingsstruktur, hvor kilde-, dræn- og gatekontaktpuder er forbundet til et substrat med høj-termisk-ledningsevne via mikro-bump og indkapslet med et polymer-baseret underfyldningsmateriale. Varme ledes fra -Ga₂O₃-enheden til materialet med høj-termisk-ledningsevne (metalpuder og stødforbindelser) og derefter til underlaget og kølepladen med faste eller konvektive grænsebetingelser. I denne fremgangsmåde ledes varme direkte fra indretningsforbindelsen til pakken i stedet for gennem indretningens krop. Topkøling reducerer junction-til-termisk modstand betydeligt og forbedrer derved strømtætheden. Denne kølemetode er velegnet til halvledere med lav-termisk-modstand.
Dobbelt-Køling: Dobbelt-køling kombinerer fordelene ved bund- og topkøling ved at sprede varme fra begge sider af chippen, hvilket giver bedre termisk styring. Den er særdeles velegnet til materialer med ultra-bredt båndgab med lav termisk modstand.
3. Mikrofluidisk køling
Mikrofluidisk afkølingsmetoder omfatter mikrokanalkøling og jet impingement-køling. Ved at konstruere mikrokanalstrukturer nær -Ga₂O₃-enheden øger den lille størrelse af mikrokanalerne varmeudvekslingsområdet mellem kølevæsken og kanalvæggene, hvilket muliggør hurtig varmeoverførsel fra enheden til kølevæsken, som derefter føres væk. Jet-impingement-køling involverer at lede kølevæske med høj hastighed direkte på overfladen af -Ga₂O₃-enheden, hvilket skaber intens konvektiv varmeoverførsel i lokale områder for hurtigt at fjerne varme.