β-Ga2O3/金刚石异质结热管理：各向异性与厚度依赖性的精准热耗散研究

为解决β-Ga2O3器件因低热导率（11-27 W·m-1·K-1）导致的过热问题，研究人员通过3D有限元热分析，系统研究了Ga2O3/金刚石异质结的热耗散策略，揭示了Ga2O3热导率各向异性的关键影响，并发现双面金刚石散热可忽略厚度依赖性。该研究为高功率Ga2O3器件的热管理设计提供了理论指导。

　　

在功率电子器件领域，β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带（~4.8 eV）和高临界击穿电场（~8 MV·cm^-1）成为新一代半导体材料的明星。然而，其热导率仅为11-27 W·m^-1·K^-1，远低于氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC），导致器件工作时温度飙升，严重制约了性能与可靠性。如何破解这一“热瓶颈”？西安电子科技大学的研究团队将目光投向了导热“王者”材料——金刚石（热导率>2000 W·m^-1·K^-1），通过3D有限元热模拟揭示了β-Ga₂O₃/金刚石异质结的热耗散机制，相关成果发表于《Materials Today Communications》。

研究团队采用3D有限元分析（Finite Element, FE）技术，构建了包含多指栅结构的Ga₂O₃晶体管模型，重点考察了四种晶体取向的Ga₂O₃热导率各向异性、厚度依赖性（0.4-9 μm）、热边界电导（TBC, 17-100 MW·m^-2·K^-1）及双面金刚石散热层的影响。

Ga₂O₃-on-diamond器件热行为
模拟发现，当Ga₂O₃厚度为1 μm时存在最佳热管理窗口，此时温度最低。各向异性分析表明，Ga₂O₃的垂直方向热导率主导器件温度，尤其在TBC较高时，忽略各向异性会导致温度预测偏差达20%。而金刚石的热导率各向异性影响可忽略不计。

双面金刚石散热策略
引入顶部金刚石散热层后，Ga₂O₃厚度依赖性和各向异性对温度的影响均降至5%误差范围内。优化后的结构使0.4 μm厚Ga₂O₃器件在473 K限制下的最大功率密度提升至传统单面散热的1.8倍。

这项研究首次系统量化了Ga₂O₃热导率各向异性对器件温度的显著影响，并证明双面金刚石散热可大幅简化热设计复杂度。该成果为高功率Ga₂O₃器件的热管理提供了精准预测模型，对推动超宽禁带半导体技术的实用化具有重要意义。