गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) जैसे तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक उपकरण नई ऊर्जा वाहनों और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे क्षेत्रों में अपने तेजी से विकास के कारण धीरे-धीरे प्रसिद्ध हो गए हैं। हालाँकि, कृत्रिम बुद्धिमत्ता, डेटा सेंटर और ड्रोन जैसे नए एप्लिकेशन परिदृश्यों के उद्भव ने मौजूदा सामग्री प्रणालियों में कुछ बाधाओं को उजागर किया है। इस संदर्भ में, गैलियम ऑक्साइड (Ga₂O₃) द्वारा प्रस्तुत चौथी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ उभरने शुरू हो गए हैं। इन सामग्रियों में व्यापक बैंडगैप, अपेक्षाकृत छोटे ढांकता हुआ स्थिरांक, उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत और सामग्री स्थिरता में कुछ फायदे हैं। हालाँकि, गैलियम ऑक्साइड की कम तापीय चालकता (10–27 W/m·K) इसे डिवाइस संचालन के दौरान असमान तापमान वितरण के प्रति अत्यधिक संवेदनशील बनाती है, जिससे डिवाइस के प्रदर्शन और जीवनकाल पर असर पड़ता है। इसलिए, गैलियम ऑक्साइड उपकरणों के विकास के लिए थर्मल प्रबंधन महत्वपूर्ण है।
गैलियम ऑक्साइड (Ga₂O₃) पांच क्रिस्टलीय चरणों वाला एक अल्ट्रा-{0}} चौड़ा बैंडगैप सेमीकंडक्टर पदार्थ है: , , , ε, और δ। यह आम तौर पर -चरण में मौजूद होता है (यह आलेख -चरण Ga₂O₃ पर चर्चा करता है)। इसकी बैंडगैप चौड़ाई लगभग 4.85 eV है, जो सिलिकॉन कार्बाइड की 3.2 eV और गैलियम नाइट्राइड की 3.39 eV से अधिक है। व्यापक बैंडगैप का मतलब है कि इलेक्ट्रॉनों को वैलेंस बैंड से चालन बैंड में संक्रमण के लिए अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे गैलियम ऑक्साइड उच्च तापमान और उच्च वोल्टेज वातावरण में स्थिर रूप से संचालित हो सकता है। जैसा कि नीचे दी गई तालिका में दिखाया गया है, गैलियम ऑक्साइड में अत्यधिक उच्च विखंडन विद्युत क्षेत्र (8 एमवी/सेमी तक सैद्धांतिक मूल्य) है, जो सिलिकॉन से 20 गुना अधिक है और सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड से काफी अधिक है। इसका मतलब यह है कि एक ही वोल्टेज के तहत, गैलियम ऑक्साइड उपकरणों को बहुत पतला बनाया जा सकता है, जिससे नई ऊर्जा वाहनों और ड्रोन जैसे क्षेत्रों में सिस्टम लघुकरण और हल्केपन की प्रमुख आवश्यकताएं हो सकती हैं। इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन कार्बाइड और गैलियम नाइट्राइड की तुलना में, गैलियम ऑक्साइड कुछ क्रिस्टल सामग्रियों में से एक है जिसे वायुमंडलीय दबाव पिघल विधि का उपयोग करके उगाया जा सकता है। वर्तमान में, दुनिया भर में कई संस्थानों ने 6-इंच गैलियम ऑक्साइड वेफर्स की तैयारी हासिल कर ली है।
थर्मल प्रबंधन समाधान
1. विषम एकीकरण (वर्तमान सबसे प्रभावी समाधान)
गैलियम ऑक्साइड विषम एकीकृत वेफर्स बनाने के लिए एकल {{0}क्रिस्टल गैलियम ऑक्साइड पतली फिल्मों को उच्च {{1}थर्मल - चालकता सब्सट्रेट पर स्थानांतरित करने के लिए विषम एकीकरण विधियों का उपयोग करना गैलियम ऑक्साइड में कम थर्मल चालकता की बाधा को संबोधित करने का एक प्रभावी तरीका है।
एक टीम ने गैलियम ऑक्साइड वेफर्स के लिए आयन इम्प्लांटेशन {{0}बॉन्डिंग और एक्सफोलिएशन तकनीक सफलतापूर्वक विकसित की है। इस तकनीक में गैलियम ऑक्साइड वेफर में आयनों को प्रत्यारोपित करके अंदर एक बेहद पतली क्षतिग्रस्त परत बनाई जाती है, इसे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट से जोड़ा जाता है, और फिर क्षतिग्रस्त परत के साथ पतली फिल्म को सटीक रूप से एक्सफोलिएट और स्थानांतरित करने के लिए एनीलिंग की जाती है, जिससे गैलियम ऑक्साइड पतली फिल्म का उच्च {{2}थर्मल - चालकता सब्सट्रेट के साथ विषम एकीकरण प्राप्त होता है। इस तकनीक के आधार पर, Ga₂O₃{{5}on-SiC उपकरण उल्लेखनीय रूप से बेहतर तापीय परिवहन क्षमताओं का प्रदर्शन करते हैं। विषम एकीकृत गैलियम ऑक्साइड पतली फिल्म की थर्मल चालकता 9.0 डब्लू/एम·के तक पहुंच जाती है, जो एनीलिंग से पहले की तुलना में दोगुनी हो जाती है, जबकि इंटरफेशियल थर्मल प्रतिरोध इसके मूल मूल्य के एक -तिहाई तक कम हो जाता है। उच्च तापमान एनीलिंग के बाद, सिलिकॉन कार्बाइड आधारित गैलियम ऑक्साइड विषम एकीकृत वेफर की थर्मल प्रसार दर थोक सिलिकॉन कार्बाइड सामग्री के करीब पहुंच जाती है, जो थोक गैलियम ऑक्साइड सामग्री से कहीं अधिक है।
2. डिवाइस और पैकेजिंग स्तर पर सहयोगात्मक थर्मल डिज़ाइन
1. सब्सट्रेट का पतला होना
थर्मल प्रतिरोध एक प्रमुख पैरामीटर है जो किसी सामग्री में गर्मी संचालन की कठिनाई को मापता है और यह सामग्री की मोटाई के सीधे आनुपातिक है। सब्सट्रेट थिनिंग तकनीक गर्मी संचालन पथ को छोटा कर देती है, जिससे सक्रिय क्षेत्र में उत्पन्न गर्मी को फैलने की अनुमति मिलती है, जिससे संचालन के दौरान -Ga₂O₃ उपकरणों की तापमान स्थिरता बनी रहती है और अत्यधिक तापमान के कारण होने वाले प्रदर्शन में गिरावट को रोका जा सकता है।
सेकी एट अल. सब्सट्रेट की मोटाई 250 माइक्रोन से घटाकर 100 माइक्रोन करके {{1}Ga₂O₃ शोट्की बैरियर डायोड के थर्मल प्रतिरोध को एक-तिहाई कम कर दिया।
2. जंक्शन-साइड कूलिंग
बॉटम कूलिंग: बॉटम कूलिंग सबसे आम तरीका है, जहां {{0}Ga₂O₃ सामग्री स्टैक को उच्च {{1}थर्मल {{2}चालकता वाले विषम सब्सट्रेट के साथ एकीकृत किया जाता है, और सब्सट्रेट के निचले भाग पर एक स्थिर तापमान हीट सिंक या संवहन सीमा की स्थिति लागू की जाती है। उत्पन्न ऊष्मा को निम्न {{5}थर्मल-चालकता {{7}Ga₂O₃ परत, {{8}Ga₂O₃/सब्सट्रेट थर्मल इंटरफ़ेस, और हीट सिंक के सब्सट्रेट के माध्यम से नष्ट कर दिया जाता है। बॉटम कूलिंग उच्च {{10}थर्मल -प्रतिरोध वाले अर्धचालकों (उदाहरण के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड और हीरा) के लिए उपयुक्त है, लेकिन कम -थर्मल-प्रतिरोध वाले अर्धचालकों (उदाहरण के लिए, गैलियम नाइट्राइड) के लिए कुशल थर्मल प्रबंधन प्राप्त नहीं कर सकता है।
टॉप कूलिंग: टॉप कूलिंग एक इंटरकनेक्ट संरचना का उपयोग करती है जहां स्रोत, नाली और गेट संपर्क पैड सूक्ष्म {{2} उभारों के माध्यम से एक उच्च {{0}थर्मल - चालकता सब्सट्रेट से जुड़े होते हैं और एक पॉलिमर - आधारित अंडरफिल सामग्री के साथ संपुटित होते हैं। गर्मी को {{5}Ga₂O₃ डिवाइस से उच्च {{6}थर्मल -चालकता सामग्री (धातु पैड और बंप कनेक्शन) तक और फिर निश्चित या संवहन सीमा स्थितियों के साथ सब्सट्रेट और हीट सिंक तक संचालित किया जाता है। इस दृष्टिकोण में, गर्मी को डिवाइस बॉडी के बजाय सीधे डिवाइस जंक्शन से पैकेज तक संचालित किया जाता है। शीर्ष शीतलन जंक्शन के थर्मल प्रतिरोध को काफी हद तक कम कर देता है, जिससे बिजली घनत्व में सुधार होता है। यह शीतलन विधि कम {{13}थर्मल {{14}प्रतिरोध वाले अर्धचालकों के लिए उपयुक्त है।
डबल {{0} पक्षीय कूलिंग: डबल {{1 } पक्षीय कूलिंग चिप के दोनों किनारों से गर्मी को खत्म करके नीचे और ऊपर की कूलिंग के फायदों को जोड़ती है, जिससे बेहतर थर्मल प्रबंधन मिलता है। यह कम तापीय प्रतिरोध वाली अल्ट्रा-वाइड बैंडगैप सामग्री के लिए अत्यधिक उपयुक्त है।
3. माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग
माइक्रोफ्लुइडिक कूलिंग विधियों में माइक्रोचैनल कूलिंग और जेट इंपिंगमेंट कूलिंग शामिल हैं। -Ga₂O₃ डिवाइस के पास माइक्रोचैनल संरचनाओं का निर्माण करके, माइक्रोचैनल का छोटा आकार शीतलक और चैनल की दीवारों के बीच ताप विनिमय क्षेत्र को बढ़ाता है, जिससे डिवाइस से शीतलक में तेजी से गर्मी हस्तांतरण सक्षम होता है, जिसे बाद में दूर ले जाया जाता है। जेट इंपिंगमेंट कूलिंग में शीतलक को उच्च गति से सीधे -Ga₂O₃ डिवाइस की सतह पर निर्देशित करना शामिल है, जिससे गर्मी को जल्दी से हटाने के लिए स्थानीय क्षेत्रों में तीव्र संवहनी ताप हस्तांतरण होता है।