氮化镓、碳化硅等第三代半导体器件因新能源汽车、消费电子等领域的快速发展而逐渐被大众所熟知，然而，人工智能、数据中心、无人机等新兴应用场景的出现，使得现有材料体系出现一定的瓶颈。在此背景下，以氧化镓（Ga₂O₃）为代表的第四代半导体材料开始崭露头角，它们拥有更宽的带隙宽度、较小的相对介电常数、高击穿场强，而且在材料稳定性等方面具有一定的优势。但与此同时，氧化镓较低的热导率（10-27W/m·K）会使得器件在运行过程中极易出现温度分布不均匀的情况，进而影响器件的性能和使用寿命。因此，热管理对于氧化镓器件的发展至关重要。接下来，小编将为大家介绍氧化镓及相关热管理解决方案。

6英寸氧化镓晶圆（图源：杭州镓仁半导体）

什么是氧化镓？

氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带半导体材料，拥有α、β、γ、ε和δ五种晶相，通常以β相存在（本文讨论的是β相Ga₂O₃）。它的禁带宽度约为4.85eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的带隙意味着电子需要更大的能量才能从价带跃迁到导带，因此，氧化镓能够在高温、高电压的环境下稳定工作。从下表，我们可以得知氧化镓拥有极高的击穿电场（理论值高达8MV/cm），是硅的20多倍，也显著高于碳化硅和氮化镓。这意味着在承受相同电压时，氧化镓器件可以做得非常薄，能够实现系统的小型化和轻量化，而这也是新能源汽车、无人机等领域所需要的。同时，相比于碳化硅和氮化镓，氧化镓是少有的能够采用常压熔体法生长的晶体材料。目前，国内外已有多家单位实现了6英寸氧化镓晶圆的制备，如中国电科46所、杭州镓仁半导体公司、日本NCT公司。

氧化镓与几种常见半导体材料的核心参数

虽然氧化镓在性能方面已经展现出极大的优势，但它极低的热导率和缺少有效p型掺杂技术仍然是限制其进一步发展的主要瓶颈。

热管理解决方案

为了让氧化镓器件稳定工作，全球研究者们开发了从材料到系统级的多种散热“黑科技”，核心思路是为低导热的氧化镓寻找一条高效的“导热高速公路”。

一、异质集成（当前最有效的解决方案）

利用异质集成的方法将氧化镓单晶薄膜转移到高导热衬底上形成氧化镓异质集成晶圆是解决氧化镓低导热瓶颈的有效方法之一。

西安电子科技大学和中国科学院上海微系统与信息研究所合作团队，成功开发出应用于氧化镓晶圆的离子注入-键合剥离技术。该技术通过离子注入在氧化镓晶圆内部形成极薄的损伤层，然后将其与碳化硅衬底键合，最后通过退火使薄膜沿损伤层精确剥离并转移，从而实现氧化镓薄膜与高导热衬底的异质集成。基于此技术制备的Ga₂O₃-on-SiC器件，热输运能力得到大幅度提升，氧化镓异质集成薄膜的热导率达到9.0W/m·K，相比退火前提升一倍，界面热阻下降为原来的1/3。高温退火后，碳化硅基氧化镓异质集成晶圆的热扩散速率接近于碳化硅体材料，远优于氧化镓体材料.

氧化镓单晶薄膜与碳化硅（硅）衬底异质集成制备流程图（图源：文献2）

二、器件与封装层面的协同散热设计

1、衬底减薄：热阻是衡量热量在材料中传导难易程度的一个关键参数，它与材料的厚度成正比关系。衬底减薄技术能够缩短热传导路径，将活性区域产生的热量散发出去，从而维持β-Ga₂O₃器件在工作过程中的温度稳定性，避免因温度过高而出现电学性能劣化等问题。

Seki等通过将β-Ga₂O₃基板厚度从250μm减小到100μm，使β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的热阻降低了三分之一。

2、结侧冷却

（1）底部冷却：底部冷却方案是一种最常见的冷却方式，它是将β-Ga₂O₃材料堆与高导热异质衬底集成在一起，然后在衬底底面设置恒温散热器或施加对流边界条件。产生的热量通过低导热的β-Ga₂O₃层、β-Ga₂O₃/衬底热界面以及衬底散发到散热器中。底部冷却方案适用于高热阻半导体（如碳化硅和金刚石），但对于低热阻半导体（如氮化镓）可能难以实现高效的热管理。

（2）顶部冷却：顶部冷却方案采用的是一种互连结构，即源极、漏极和栅极接触焊盘通过微凸点连接到高导热衬底上，并用聚合物基底部填充材料进行封装。热量从β-Ga₂O₃器件传导到高导热材料（金属焊盘和凸点连接），然后传导到衬底和具有固定或对流边界条件的散热器。在这种方案中，热从器件结处直接传导到封装，而不是通过器件本体传导。顶部冷却可以显著降低结到外壳的热阻，从而提高功率密度。这种冷却方法适用于低热阻半导体。

（3）双侧冷却：双侧冷却方案结合了底部和顶部冷却的优势，它是从芯片的两侧进行散热，提供了更好的热管理，非常适用于热阻较低的超宽带隙材料。

(a)底侧冷却、(b)结侧冷却和(c)双侧冷却封装截面示意图（图源：文献3）

3、微流体冷却：微流体冷却方式包括微通道冷却和射流冲击冷却等。在β-Ga₂O₃器件附近构建微通道结构，由于微通道的尺寸很小，冷却液与通道壁之间的热交换面积相对较大，这使热量能够快速地从器件传递到冷却液中，然后被带走。射流冲击冷却是将冷却液以高速射流的形式直接冲击到β-Ga₂O₃器的表面，这种方式能够在局部区域形成强烈的对流换热，快速带走热量。

小结

氧化镓作为一种新兴的半导体材料，正以其超宽禁带、更小体积、更低成本、更轻量化等优势，吸引着全球的目光。虽然热导率是其迈向大规模应用的主要障碍，但以异质集成、衬底减薄、结侧冷却、微流体冷却为核心的热管理技术体系，已为我们指明了清晰的技术路径。可以预见，随着材料生长、异质集成工艺和封装散热技术的不断成熟，氧化镓有望成为未来绿色能源和高端装备中不可或缺的关键材料。

参考文献：

1、董世林.氧化镓势函数拟合及其热输运特性研究[D].山东大学.

2、韩根全,王轶博,徐文慧,等.氧化镓异质集成和异质结功率晶体管研究进展[J].科学通报.

3、谢银飞,何阳,刘伟业,等.超宽带隙氧化镓功率器件热管理的研究进展[J].人工晶体学报.

4、程哲.第三代半导体材料及器件中的热科学和工程问题[J].物理学报.

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