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多指α-Ga₂O₃超宽禁带电子器件中加热的去中心化
Decentralization of the Heating in Multi-Finger α-Ga₂O₃ Ultra-Wide Bandgap Electronics
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 宽禁带半导体 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | α-Ga2O3 功率电子 热串扰 热导率 多手指器件布局 |
语言:
中文摘要
α - Ga₂O₃是有望推动下一代电力电子技术发展的超宽禁带半导体之一。然而，由于其热力学不稳定且热导率较低，过热问题阻碍了α - Ga₂O₃器件的应用。本研究揭示了多指α - Ga₂O₃金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）中热串扰的不利影响。通过第一性原理计算和基于激光的泵浦 - 探测测量确定了α - Ga₂O₃的热导率（室温下约为12瓦每米开尔文）。进行了器件热特性表征和建模，以设计一种脊椎形多指器件布局，该布局通过分散整个器件的发热分布来减轻热串扰。
English Abstract
-Ga2O3 is one of the ultra-wide bandgap semiconductors that gives promise to the development of next-generation power electronics. However, due to its thermodynamic instability and low thermal conductivity, overheating concerns hinder the deployment of -Ga2O3 devices. This study reveals the detrimental impact of thermal crosstalk in multi-finger -Ga2O3 MOSFETs. The thermal conductivity of -Ga2O3 (~12 W/m K at room temperature) was determined via first-principles calculations and laser-based pump-probe measurements. Device thermal characterization and modeling were performed to design a vertebrae-shaped multi-finger device layout that mitigates thermal crosstalk by decentralizing the overall device heat generation profile.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项关于α-Ga₂O₃超宽禁带半导体的热管理研究具有重要的战略参考价值。α-Ga₂O₃作为新一代功率半导体材料，其超宽禁带特性（约5.0 eV）理论上可实现更高的击穿电压和更低的导通损耗，这对我们的光伏逆变器和储能变流器等核心产品的效率提升具有显著意义。
该研究揭示的热串扰问题直击功率器件实际应用的核心痛点。论文通过第一性原理计算和激光泵浦探测确定α-Ga₂O₃的热导率仅约12 W/m·K，远低于SiC（约370 W/m·K），这与我们在高功率密度产品设计中面临的散热挑战高度相关。研究提出的"脊椎状"多指栅布局通过分散热源分布来缓解热串扰，这种热管理创新思路可为我们当前采用的SiC和IGBT器件的布局优化提供借鉴。
然而，从技术成熟度评估，α-Ga₂O₃仍处于早期研发阶段，面临热动力学不稳定性和工艺成熟度不足等挑战，短期内难以直接应用于我们的量产产品。但考虑到功率电子向更高效率、更高功率密度演进的趋势，建议我们保持对该技术的持续跟踪。
对阳光电源而言，当前应继续深化SiC技术应用，同时可考虑与科研机构合作开展α-Ga₂O₃的前瞻性研究，特别关注其在极端工况（如高温、高压）储能系统中的应用潜力。该技术的热管理方法论对我们现有产品的可靠性提升同样具有参考价值，可应用于多并联功率模块的热设计优化中。