Þriðja-kynslóð hálfleiðaratæki eins og gallíumnítríð (GaN) og kísilkarbíð (SiC) hafa smám saman orðið vel-þekkt vegna örrar þróunar þeirra á sviðum eins og nýjum orkutækjum og rafeindatækni fyrir neytendur. Hins vegar hefur tilkoma nýrra umsóknarsviðsmynda eins og gervigreindar, gagnavera og dróna leitt í ljós ákveðna flöskuhálsa í núverandi efniskerfum. Í þessu samhengi hafa fjórða-kynslóð hálfleiðaraefni, táknuð með gallíumoxíði (Ga₂O₃) byrjað að koma fram. Þessi efni hafa breiðari bandbil, tiltölulega minni rafstuðul, háan sundurliðunarsviðsstyrk og ákveðna kosti í efnisstöðugleika. Hins vegar, lág hitaleiðni gallíumoxíðs (10–27 W/m·K) gerir það mjög viðkvæmt fyrir ójafnri hitadreifingu meðan tækið er í notkun og hefur þar með áhrif á afköst tækisins og endingu. Þess vegna er hitastjórnun mikilvæg fyrir þróun gallíumoxíðtækja.
Gallíumoxíð (Ga₂O₃) er ofur-vítt bandgap hálfleiðara efni með fimm kristallaða fasa: , , , ε og δ. Það er venjulega til í -fasa (þessi grein fjallar um -fasa Ga₂O₃). Breidd bandbilsins er um það bil 4,85 eV, hærri en 3,2 eV kísilkarbíð og 3,39 eV gallíumnítríðs. Breiðari bandbil þýðir að rafeindir þurfa meiri orku til að skipta frá gildissviðinu yfir í leiðnisviðið, sem gerir gallíumoxíði kleift að starfa stöðugt í há-hita- og{10}}háspennuumhverfi. Eins og sést í töflunni hér að neðan hefur gallíumoxíð mjög hátt niðurbrotsrafsvið (fræðilegt gildi allt að 8 MV/cm), sem er meira en 20 sinnum meira en kísil og verulega hærra en kísilkarbíð og gallíumnítríð. Þetta þýðir að undir sömu spennu er hægt að gera gallíumoxíðtæki mjög þunn, sem gerir kerfissmáknun og léttvægi-mögulegar lykilkröfur á sviðum eins og nýjum orkutækjum og drónum. Að auki, samanborið við kísilkarbíð og gallíumnítríð, er gallíumoxíð eitt af fáum kristalefnum sem hægt er að rækta með því að nota loftþrýstingsbræðsluaðferðina-. Eins og er, hafa margar stofnanir um allan heim náð framleiðslu á 6 tommu gallíumoxíðskífum.
Varmastjórnunarlausnir
1. Misleit samþætting (núverandi skilvirkasta lausnin)
Að nota ólíkar samþættingaraðferðir til að flytja stakar-kristallar gallíumoxíð þunnar filmur yfir á há-varma-leiðni hvarfefni til að mynda gallíumoxíð ólíkar samþættar oblátur er áhrifarík leið til að takast á við flöskuháls lágrar hitaleiðni í gallíumoxíði.
Teymi hefur þróað með góðum árangri jónaígræðslu-tengi- og flögnunartækni fyrir gallíumoxíðskífur. Þessi tækni felur í sér að jónir eru ígræddar í gallíumoxíðskífuna til að mynda mjög þunnt skemmd lag að innan, tengja það við kísilkarbíð hvarfefni og síðan glóða til að afhjúpa nákvæmlega og flytja þunnu filmuna meðfram skemmda laginu og ná fram misleitri samþættingu gallíumoxíðs þunnrar filmu með háhitaleiðni{- undirlags-. Byggt á þessari tækni sýna Ga₂O₃-on-SiC tækin verulega bætta hitaflutningsgetu. Hitaleiðni misleitu samþættu gallíumoxíðs þunnu filmunnar nær 9,0 W/m·K, tvöföldun miðað við fyrir glæðingu, á meðan varmaviðnám milliflata minnkar í þriðjung af upprunalegu gildi þess. Eftir háan-hitaglæðingu nálgast hitadreifingarhraði gallíumoxíðs sem byggir á-samþættri samþættri skúffu kísilkarbíðefni í lausu, langt umfram magn gallíumoxíðefnis.
2. Samvinnuhitahönnun á tækja- og umbúðastigi
1. Þynning undirlags
Hitaviðnám er lykilbreyta sem mælir erfiðleika varmaleiðni í efni og er í réttu hlutfalli við þykkt efnisins. Undirlagsþynningartækni styttir hitaleiðnileiðina, gerir hita sem myndast á virka svæðinu kleift að dreifa, þar með viðhalda hitastöðugleika -Ga₂O₃ tækja meðan á notkun stendur og koma í veg fyrir skerðingu á afköstum af völdum of hás hitastigs.
Seki o.fl. minnkaði varmaviðnám -Ga₂O₃ Schottky hindrunardíóða um einn-þriðjung með því að minnka undirlagsþykktina úr 250 μm í 100 μm.
2. Gatnamót-Hliðarkæling
Botnkæling: Botnkæling er algengasta aðferðin, þar sem -Ga₂O₃ efnisstaflinn er samþættur ólíku undirlagi með mikilli-hita-leiðni, og stöðugt-hitastig eða varmaskil eru sett á botn undirlagsins. Varma sem myndast er dreift í gegnum lága-varma-leiðni -Ga₂O₃ lagið, -Ga₂O₃/undirlag varmaskil og undirlagið til hitaupptökunnar. Botnkæling hentar fyrir há-varma-hálfleiðara (td kísilkarbíð og demantur) en gæti ekki náð skilvirkri hitastjórnun fyrir hálfleiðara með lágt-varma-viðnám (td gallíumnítríð).
Toppkæling: Toppkæling notar samtengingarbyggingu þar sem snertiflötur fyrir upptök, frárennsli og hlið eru tengd við há-varma-leiðni undirlag með ör-högg og hjúpuð undirfyllingarefni sem byggir á fjölliðu-. Hiti er leiddur frá -Ga₂O₃ tækinu til efnisins með mikla-hita-leiðni (málmpúða og höggtengingar) og síðan til undirlagsins og hitastigsins með föstum eða convective jaðarskilyrðum. Í þessari nálgun er hiti beint frá tengi tækisins að pakkanum frekar en í gegnum líkama tækisins. Toppkæling dregur verulega úr mótum-til-varmaviðnáms og eykur þar með aflþéttleika. Þessi kæliaðferð er hentug fyrir hálfleiðara með lágt-varma-viðnám.
Tvöföld-hliða kæling: Tvíhliða-kæling sameinar kosti botn- og toppkælingar með því að dreifa hita frá báðum hliðum flísarinnar, sem veitir betri hitastjórnun. Það er mjög hentugur fyrir ofur-vítt bandgap efni með lágt hitauppstreymi.
3. Örflæðiskæling
Örflæðiskælingaraðferðir fela í sér kælingu á örrásum og kælingu á þotum. Með því að smíða örrásarvirki nálægt -Ga₂O₃ tækinu, eykur smæð örrásanna varmaskiptasvæðið milli kælivökvans og rásarvegganna, sem gerir kleift að flytja hratt varma frá tækinu yfir í kælivökvann, sem síðan er fluttur burt. Þotukæling felur í sér að beina kælivökva á miklum hraða beint á yfirborð -Ga₂O₃ tækisins, sem skapar mikinn varmaflutning á staðbundnum svæðum til að fjarlægja hita fljótt.