西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、郑雪峰教授团队：基于热电冷却器的β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管的活性热管理

由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Active Thermal Management for β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes Based on Thermoelectric Coolers（基于热电冷却器的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管的活性热管理）的文章。

1. 项目支持

该项目由国家自然科学基金（批准号：U2241220 和 62421005）、中央高校基本科研业务费专项资金（批准号：YJSJ25013）、国家辐射应用创新中心基金（批准号：KFZC2022020401）、国家重点研发计划（批准号：2023YFB3611900）提供支持。

2. 背景

β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其 4.8 eV 的宽带隙、8 MV/cm 的高临界击穿电场和 1.5 × 10⁷ cm/s的高电子饱和速度，在实现高压大电流功率器件应用方面表现出显著优势，其巴利加优值（BFOM）超过 3000（4H-SiC 为 320，GaN 为 860）。然而，与 4H-SiC 和 GaN 相比，β-Ga₂O₃ 较低的热导率（约 27 W/mK，约为 4H-SiC 的 1/20，GaN 的 1/5）限制了其在运行过程中的散热，导致严重的自热效应。这种自热限制了其电学性能并损害了其长期可靠性。因此，设计良好且高效的热管理解决方案对于确保 β-Ga₂O₃ 电子器件的高性能和稳定性，同时保持其小型化至关重要。

3. 主要内容

鉴于 β-Ga₂O₃ 较低的热导率，有效的散热对于保持其高输出功率和可靠性至关重要。本研究采用实验和数值方法，提出了一种使用热电冷却器（TECs）对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBDs）进行主动热管理的模型。SBD 产生的热量可以通过热电（TE）材料中的珀尔帖效应有效地散发到周围环境。实验结果表明，在 TEC 输入电流为 6 A 时，即使 SBD 输出功率达到 25 W，壳温仍保持在 25 °C 以下，与 TEC 关闭时相比，结温最大降低了 74.5 °C。在 TEC 输入电流为 3 A 时，SBD 的净输出功率达到 11.8 W，相应的提升比例为 36.9%。在仿真中，分析了 TEC 参数以优化结温。热电臂高度每降低 0.1 毫米，结温降低 5.3 °C。塞贝克系数通过材料参数的协同优化显著影响结温。这项工作为设计和优化使用 TEC 的 β-Ga₂O₃ SBD 的热管理提供了指导。

4. 创新点

● 首次引入热电制冷（TEC）主动散热方案，显著降低器件结温（最高降幅达 74.5°C），有效缓解自热问题。

● 建立多物理场仿真模型，系统优化 TEC 几何与材料参数，实现高效热管理设计。

● 提出能效最优工作点策略，在确保热控效果的同时避免功耗反超，器件净输出功率提升达 36.9%。

● 构建 TEC + 液冷一体化散热系统，验证其在高功率输出下的温控潜力，拓展 β-Ga₂O₃ 器件工程化应用路径。

5. 结论

本研究提出了一种基于热电冷却器（TEC）的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）主动热管理模型。通过实验测量和仿真方法，全面分析了 SBD 的热学和电学性能。实验结果表明，在 TEC 输入电流为 6 A、SBD 输出功率为 25 W 时，SBD 的结温比 TEC 关闭时降低了 74.5 °C，结至壳的最大热阻降低比为 27%。此外，在 TEC 输入电流为 3 A 时，相同结温下 SBD 的最大净输出功率约为 11.8 W，对应于 36.9% 的提升比例。

图1. 实验过程示意图。

图2. SBD结构的横截面示意图。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3569507

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号