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【国内论文】IJHMT丨西南交大李鸿坤副教授团队：金刚石热扩散层/硅衬底嵌入微通道集成策略—解决[010]取向β-Ga₂O₃ MOSFET面内热聚集，实现高效散热
日期：2026-10-08阅读：424
由西南交通大学机械工程学院李鸿坤副教授团队在学术期刊International Journal of Heat and Mass Transfer发布了一篇名为Achieving superior heat dissipation in β-Ga₂O₃ MOSFETs via diamond spreading layer and substrate-embedded silicon microchannels（通过金刚石热扩散层与硅衬底嵌入式微通道实现β-Ga₂O₃ MOSFET的高效散热）的文章。
背 景
β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体材料，凭借其约4.8 eV的带隙和高达8 MV/cm的临界击穿场强，成为下一代高压功率电子器件的理想候选材料。然而，其本征热导率极低且具有显著的各向异性（沿[010]方向约27.1 W·m⁻¹·K⁻¹，而沿[100]方向仅为10.7 W·m⁻¹·K⁻¹），这导致器件工作时产生严重的局部自热效应，极大限制了器件性能与可靠性。因此，高效的热管理是β-Ga₂O₃ MOSFET实现其理论电学性能的前提。
目前，将β-Ga₂O₃薄膜异质集成到高导热衬底上是一种有效的散热策略。然而，β-Ga₂O₃强烈的热导率各向异性导致热量高度局域化，热量难以在面内有效扩散，使得衬底边缘区域无法被充分利用，峰值温度对界面热阻极其敏感。即便将高导热衬底替换为金刚石衬底嵌入式微通道，由于其热聚集效应，使得冷却效率无法充分发挥。
主要内容
为此，本研究提出了一种混合热管理策略：将金刚石热扩散层（TSL）与衬底嵌入式硅微通道相结合，在实现与金刚石微通道相当散热性能的同时，兼顾了成本效益和制造可行性。基于电-热耦合建模，首先通过Sentaurus TCAD仿真提取了β-Ga₂O₃ MOSFET的等效热源，并导入COMSOL进行三维热仿真。研究发现，[010]取向的β-Ga₂O₃ MOSFET最高结温主要受限于热源附近因低面内热导率导致的侧向散热抑制。引入金刚石热扩散层后，热扩散角从32.2°显著提升至88°，有效传热面积增大了约80倍。尽管引入金刚石热扩散层会增加额外的界面，但由于充分侧向散热，金刚石与衬底的界面热阻对结温影响可忽略不计。在最优的5 μm厚度热扩散层和硅衬底嵌入式微通道作用下，该混合策略将器件峰值温度降低了约55.6 K，与最先进的金刚石衬底嵌入式微通道策略相比，性能差距仅为5 K。
创新点
①出一种基于器件最高温度的跨平台热电耦合建模方法，无需重复精细器件级仿真即可适配不同冷却结构与基底材料，实现复杂流道下的器件热特性高效预测。
②阐明了β-Ga₂O₃面内低热导率导致的侧向散热瓶颈，并通过金刚石热扩散层将热扩散角提升至88°，使有效传热面积扩大约80倍。
③提出了一种基于金刚石热扩散层（TSL）与硅衬底嵌入式微通道的混合热管理策略通过热扩散层将热量均匀分布至各微通道，兼顾高性能与低成本，解决了传统金刚石微通道加工困难、成本高昂的问题。
④全面分析了热扩散层厚度、界面热阻、微通道位置、流速以及外部热阻对器件温度的影响，为高功率β-Ga₂O₃器件的热设计提供了理论指导。
总 结
综上，本文提出了一种将金刚石热扩散层与硅衬底微通道相结合的混合热管理策略。通过TCAD与COMSOL的电-热耦合仿真，揭示了β-Ga₂O₃ MOSFET自热效应的物理机制。引入5 μm金刚石热扩散层有效突破了β-Ga₂O₃低面内热导率的瓶颈，将热扩散角扩大至88°，有效传热面积增加约80倍。研究证明，由于充分的侧向扩热，额外的金刚石/衬底界面热阻影响可忽略不计。该策略实现了与先进的金刚石微通道方案相当的冷却性能（温差仅5 K），同时显著降低了制造难度与成本，为高功率β-Ga₂O₃器件的热管理提供了极具工程价值的解决方案。
项目支持
本研究得到国家自然科学基金（52306115、52506097）、山东省自然科学基金（ZR2023QE223）以及泰山学者计划的支持。
图1 (a) 硅衬底上MOSFET的散热结构及热源附近的温度分布。(b) 传统器件结构示意图，微通道嵌入在散热器中，包含热界面材料（TIM）。(c) 具有扩热层（TSL）和硅衬底嵌入式微通道的MOSFET散热结构及热源附近的温度分布。(d) 传统器件结构（见图(b)）的热阻网络。TIM将内部热阻（上部）与外部热阻（下部）分隔开。图(a)和(c)中的红线表示热流路径，其中实线和虚线分别代表高热流密度和低热流密度。
图2 (a) MOSFET输出特性的仿真结果与实验数据对比。(b) 使用二维热力学模型在VDS = 40 V和VGS = 4 V条件下模拟的焦耳热量分布。
图3 (a) MOSFET电-热平衡过程及等效热源提取示意图。(b) 在电-热平衡状态下，不同栅极电压（VGS）下热源功率密度（H）与最高温度（Tmax）的关系。(c) 在VDS = 40 V时，等效功率密度作为栅极电压和最高温度函数的热源分布图。图中所示H的拟合表达式被用作COMSOL热仿真中的热源密度输入。
图4 (a) β-Ga₂O₃ MOSFET的器件布局示意图。无(b)和有(c)热扩散层（金刚石）时的截面（A-A'）层结构，并标注了晶体结构方向。红色矩形和实线分别表示等效热源和界面热阻。G1、G2和G3代表相应界面处的界面热导。
图5 (a) 微通道结构示意图。(b) 微通道截面示意图（半通道剖切）。图中标注了相关几何参数和流体入口方向，衬底材料为硅。(c) 计算域的网格配置及热源区域附近的局部放大图。(d) 网格收敛性分析结果：最高温度随网格单元数量的变化。
图6 (a) 不同衬底下最高温度（Tmax）与金刚石厚度（HDia）的关系。(b) 热量穿过多个材料层时热扩散角的示意图，展示了引入热扩散层（TSL）后热量进入硅层时热扩散角的显著增大。(c) 不同底部金刚石厚度（0、1和5 μm）下硅衬底器件的等温线分布云图。
图7 (a) 顶部扩热层结构。(b) 顶部金刚石厚度对器件最高温度（Tmax）的影响，在2 μm时达到饱和冷却效果。
图8 (a) 引入热扩散层（TSL）前后，硅衬底器件最高温度（Tmax）作为界面热阻（ITR，即1/G）的函数。该图展示了固定G2和G3时的温度变化。(b) 无/有5 μm热扩散层时进入硅衬底的热流密度分布。(c) 不同热扩散层厚度下硅衬底器件中各层计算热阻值的比较（不包括外部热阻Rex）。(d) 不同热扩散层厚度下器件最高温度（Tmax）作为有效换热系数（heff）的函数（175℃为器件温度极限）。
图9 (a) 在固定入口流速为0.15 mL/min且t = 20 μm时，无/有扩热层（TSL）情况下微通道的最高温度（Tmax）与压降（ΔP）对比。（5 μm为最优厚度）。(b) 无/有5 μm热扩散层时进入各通道的平均热流密度对比。(c) 无/有热扩散层时固-液界面XY平面上的温度分布云图。
图10 (a) 在固定顶部间距t = 20 μm时，最高温度（Tmax）和压降随入口流速的变化（在S = 0.15 mL/min时Re = 27.8，Dh为水力直径，层流）。(b) 硅衬底底部最高温度（Tmax）和平均温度（Tb）随微通道到顶部间距（t）的变化（固定入口流速S = 0.15 mL/min）。插图示意了微通道内固体域与流体域之间的传热关系。
图11 (a) 外部热阻较大时下最高温度（Tmax）与流速的关系（t = 20 μm，温度极限为175℃）。(b) 不同衬底材料和热管理策略下器件最高温度的比较。
团队介绍
通讯作者：李鸿坤，副教授，博士生导师。于新加坡国立大学获博士学位，从事能源装备与电子设备热管理、微纳尺度声子热输运性质等方面的研究工作。主持国家级与省部级项目5项；获四川省留学回国人员科技活动项目择优资助（优秀类）。以第一/通信作者发表 Energy Conversion and Management, Materials Today Physics, Physical Review B, International Journal of Heat and Mass Transfer等期刊论文30余篇。
DOI：
doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129535
