התקני מוליכים למחצה מהדור השלישי- כגון גליום ניטריד (GaN) וסיליקון קרביד (SiC) הפכו בהדרגה{1}}מוכרים בשל ההתפתחות המהירה שלהם בתחומים כמו רכבי אנרגיה חדשים ואלקטרוניקה צריכה. עם זאת, הופעתם של תרחישי יישומים חדשים כמו בינה מלאכותית, מרכזי נתונים ומזל"טים חשפה צווארי בקבוק מסוימים במערכות החומר הקיימות. בהקשר זה, חומרי מוליכים למחצה מהדור הרביעי- המיוצגים על ידי תחמוצת גליום (Ga₂O₃) החלו להופיע. לחומרים אלה יש פערי פס רחבים יותר, קבועים דיאלקטריים קטנים יחסית, עוצמות שדה פירוק גבוהות ויתרונות מסוימים ביציבות החומר. עם זאת, המוליכות התרמית הנמוכה של תחמוצת גליום (10–27 W/m·K) הופכת אותו לרגיש מאוד לפיזור טמפרטורה לא אחיד במהלך פעולת המכשיר, ובכך משפיע על ביצועי המכשיר ותוחלת החיים שלו. לכן, ניהול תרמי הוא חיוני לפיתוח התקני גליום אוקסיד.
תחמוצת גליום (Ga₂O₃) הוא חומר מוליך למחצה רחב במיוחד -עם חמישה שלבים גבישיים: , , , ε ו- δ. הוא קיים בדרך כלל בשלב -(מאמר זה דן ב-שלב Ga₂O₃). רוחב מרווח הפס שלו הוא כ-4.85 eV, גבוה מה-3.2 eV של סיליקון קרביד ומ-3.39 eV של גליום ניטריד. מרווח פס רחב יותר אומר שהאלקטרונים דורשים יותר אנרגיה כדי לעבור מרצועת הערכיות לפס ההולכה, מה שמאפשר לתחמוצת גליום לפעול ביציבות בסביבות-טמפרטורות ומתח גבוהות{{10}. כפי שמוצג בטבלה למטה, לתחמוצת גליום יש שדה חשמלי פירוק גבוה במיוחד (ערך תיאורטי של עד 8 MV/cm), שהוא יותר מפי 20 מהסיליקון וגבוה משמעותית מסיליקון קרביד וגאליום ניטריד. המשמעות היא שתחת אותו מתח, ניתן להפוך התקני גליום אוקסיד לדקיקים מאוד, מה שמאפשר מזעור המערכת ודרישות מפתח-קל משקל בתחומים כגון רכבי אנרגיה חדשים ומזל"טים. בנוסף, בהשוואה לסיליקון קרביד ולגליום ניטריד, תחמוצת גליום הוא אחד מחומרי הגביש הבודדים שניתן לגדל בשיטת ההיתוך בלחץ האטמוספרי.{17} נכון לעכשיו, מוסדות רבים ברחבי העולם השיגו הכנת פרוסות גליום אוקסיד בגודל 6 אינץ'.
פתרונות ניהול תרמי
1. אינטגרציה הטרוגנית (הפתרון היעיל ביותר הנוכחי)
שימוש בשיטות אינטגרציה הטרוגניות להעברת סרטים דקים של -גליום תחמוצת גביש בודדים על גבי מצעי מוליכות-תרמית- גבוהה ליצירת פרוסות משולבות הטרוגניות של גליום אוקסיד היא דרך יעילה להתמודד עם צוואר הבקבוק של מוליכות תרמית נמוכה בתחמוצת גליום.
צוות פיתח בהצלחה טכנולוגיית השתלת יונים-לקשר וקילוף עבור פרוסות גליום אוקסיד. טכנולוגיה זו כוללת השתלת יונים לתוך רקיקת תחמוצת הגליום ליצירת שכבה פגומה דקה במיוחד בפנים, הדבקתה למצע סיליקון קרביד, ולאחר מכן חישול כדי לקלף במדויק ולהעביר את הסרט הדק לאורך השכבה הפגועה, להשגת אינטגרציה הטרוגנית של הסרט הדק של תחמוצת גליום עם מצע תרמי{{2} בעל מוליכות גבוהה{{2}. בהתבסס על טכנולוגיה זו, מכשירי Ga₂O₃-on-SiC מציגים יכולות הובלה תרמית משופרות משמעותית. המוליכות התרמית של הסרט הדק המשולב ההטרוגני של גליום אוקסיד מגיעה ל-9.0 W/m·K, הכפלה בהשוואה לפני החישול, בעוד שההתנגדות התרמית הממשקלת מצטמצמת ל-שליש מערכו המקורי. לאחר חישול-בטמפרטורה גבוהה, קצב הדיפוזיה התרמית של פרוסות המשולבות הטרוגניות של גליום קרביד-מתקרב לזה של חומר סיליקון קרביד בתפזורת, ועולה בהרבה על זה של חומר תחמוצת גליום בתפזורת.
2. עיצוב תרמי שיתופי ברמת המכשיר והאריזה
1. דילול מצע
התנגדות תרמית היא פרמטר מרכזי המודד את הקושי בהולכת חום בחומר והיא פרופורציונלית ישירה לעובי החומר. טכנולוגיית דילול מצע מקצרת את נתיב הולכת החום, ומאפשרת לחום שנוצר באזור הפעיל להתפוגג, ובכך שומרת על יציבות הטמפרטורה של התקני -Ga₂O₃ במהלך הפעולה ומונעת ירידה בביצועים הנגרמת על ידי טמפרטורות גבוהות.
Seki et al. הפחית את ההתנגדות התרמית של דיודות מחסום -Ga₂O₃ Schottky ב-שליש על ידי הפחתת עובי המצע מ-250 מיקרומטר ל-100 מיקרומטר.
2. צומת-קירור צד
קירור תחתון: קירור תחתון הוא השיטה הנפוצה ביותר, כאשר ערימת החומרים של -Ga₂O₃ משולבת עם מצע הטרוגני-תרמית-גבוהה, ועם תנאי גבול- קבועים בטמפרטורה או תנאי גבול הסעה מוחלים על תחתית המצע. החום הנוצר מתפזר דרך שכבת ה-Ga₂O₃ -התרמית- הנמוכה -, הממשק התרמי -Ga₂O₃/המצע והמצע לגוף הקירור. קירור תחתון מתאים למוליכים למחצה-תרמית-בעלי התנגדות גבוהה (לדוגמה, סיליקון קרביד ויהלום), אך עשוי שלא להשיג ניהול תרמי יעיל עבור מוליכים למחצה{14}}תרמית-בעלי התנגדות נמוכה (לדוגמה, גליום ניטריד).
קירור עליון: קירור עליון משתמש במבנה מקושר שבו רפידות מגע מקור, ניקוז ושער מחוברים למצע עם-מוליכות תרמית-באמצעות מיקרו-גבשושיות ומעטפים בחומר תת מילוי מבוסס-פולימר. החום מועבר מהתקן -Ga₂O₃ לחומר המוליכות-תרמית- הגבוהה (רפידות מתכת וחיבורי גבשושיות) ולאחר מכן אל המצע ואל גוף הקירור עם תנאי גבול קבועים או הסעה. בגישה זו, החום מועבר ישירות מצומת המכשיר לאריזה ולא דרך גוף המכשיר. קירור עליון מפחית משמעותית את ההתנגדות התרמית של הצומת-ל-ובכך משפר את צפיפות ההספק. שיטת קירור זו מתאימה למוליכים למחצה עם התנגדות-תרמית- נמוכה.
קירור דו-צדדי-: קירור דו-צדדי- משלב את היתרונות של הקירור התחתון והעליון על-ידי פיזור חום משני צידי השבב, ומספק ניהול תרמי טוב יותר. הוא מתאים מאוד לחומרים עם פערי פס רחבים במיוחד עם התנגדות תרמית נמוכה.
3. קירור מיקרופלואידי
שיטות קירור מיקרו-נוזליות כוללות קירור מיקרו-ערוצים וקירור פגיעה סילון. על ידי בניית מבנים מיקרו-ערוציים ליד התקן -Ga₂O₃, הגודל הקטן של המיקרו-ערוצים מגדיל את שטח חילופי החום בין נוזל הקירור לדפנות התעלה, ומאפשר העברת חום מהירה מהמכשיר לנוזל הקירור, אשר לאחר מכן נישא משם. קירור פגיעת סילון כולל הפניית נוזל קירור במהירות גבוהה ישירות אל פני השטח של התקן -Ga₂O₃, יצירת העברת חום הסעה אינטנסיבית באזורים מקומיים כדי להסיר במהירות חום.