[論文レビュー] Thermal Conductance across beta-Ga2O3-diamond Van der Waals Heterogeneous Interfaces

Zhe Cheng, Luke Yates+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

Ga2O3 and related materials参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、剥離されたβ-Ga2O3ナノ膜と単結晶ダイヤモンド基板との間のファンデルワールス界面における熱境界伝導率（TBC）を測定し、17 MW/m²KのTBCを同定した。これは金属-ダイヤモンド界面と同等の値である。ランドアウアーに基づくフォノン輸送モデルを用いて、界面フォノン散乱および膜境界効果の役割を解明し、Ga2O3ベースのパワー素子における熱管理の最適化に役立つ知見を提供する。

ABSTRACT

Because of its ultrawide bandgap, high breakdown electric field, and large area affordable substrates grown from the melt, beta Ga2O3 has attracted great attention recently for potential applications of power electronics. However, its thermal conductivity is significantly lower than those of other wide bandgap semiconductors, such as AlN, SiC, GaN, and diamond. To ensure reliable operation with minimal selfheating at high power, proper thermal management is even more essential for Ga2O3 devices. Similarly to the past approaches aiming to alleviate selfheating in GaN HEMTs, a possible solution has been to integrate thin Ga2O3 membranes with diamond to fabricate Ga2O3 on diamond lateral MESFET or MOSFET devices by taking advantage of the ultra high thermal conductivity of diamond. Even though the TBC between wide bandgap semiconductor devices such as GaN HEMTs and a diamond substrate is of primary importance for heat dissipation in these devices, fundamental understanding of the Ga2O3 diamond thermal interface is still missing. In this work, we study the thermal transport across the interfaces of Ga2O3 exfoliated onto a single crystal diamond. The Van der Waals bonded Ga2O3 diamond TBC is measured to be 17 MWm2K1, which is comparable to the TBC of several physical vapor deposited metals on diamond. A Landauer approach is used to help understand phonon transport across perfect Ga2O3 diamond interface, which in turn sheds light on the possible TBC one could achieve with an optimized interface. A reduced thermal conductivity of the Ga2O3 nanomembrane is also observed due to additional phonon membrane boundary scattering. The impact of the Ga2O3substrate TBC and substrate thermal conductivity on the thermal performance of a power device are modeled and discussed.

研究の動機と目的

• パワー電子素子応用を目的とした、β-Ga2O3-ダイヤモンドのファンデルワールスヘテロ構造における熱輸送を調査すること。
• Ga2O3-ダイヤモンド界面における熱境界伝導率（TBC）を定量すること。これは熱管理のための重要なパrameterである。
• 界面フォノン散乱および膜境界効果が、Ga2O3ナノ膜内の熱伝導率に与える影響を理解すること。
• 基板の熱伝導率とTBCが、Ga2O3ベースのパワー素子の熱的性能に与える影響をモデル化すること。
• 最適な界面工学による熱放出の向上を予測する理論的枠組みを、ランドアウアー法を用いて提供すること。

提案手法

• 高品質な単結晶ダイヤモンド基板上に、剥離された単結晶β-Ga2O3ナノ膜を転写し、ファンデルワールスヘテロ構造を形成した。
• 時間領域熱反射法（TDTR）を用いて、Ga2O3-ダイヤモンド界面を横切る熱境界伝導率を実験的に測定した。
• 理想的な完全なGa2O3-ダイヤモンド界面を想定したフォノン透過をシミュレートするために、ランドアウアーに基づくフォノン輸送モデルを適用した。
• フォノンモードと界面結合を考慮し、内在的なTBCの上限を推定し、主要な散乱機構を同定した。
• 有限要素法を用いて、基板の熱伝導率とTBCが異なる場合のGa2O3デバイスの熱的性能を評価した。
• 膜厚および境界散乱効果を補正することで、実験データから界面抵抗を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β-Ga2O3-ダイヤモンドのファンデルワールス界面における熱境界伝導率はいかほどか？
• RQ2 Ga2O3-ダイヤモンド界面を横切るフォノン輸送は、金属-ダイヤモンド系と比べてどの程度異なるか？
• RQ3 界面散乱および境界散乱機構が、Ga2O3ナノ膜内の熱伝導率をどの程度低下させるか？
• RQ4 最適化されたGa2O3-ダイヤモンド界面で達成可能な熱伝導率の理論的上限は何か？
• RQ5 基板の熱伝導率と界面伝導率が、Ga2O3ベースのパワー素子の熱的性能にどのように寄与するか？

主な発見

• β-Ga2O3-ダイヤモンドのファンデルワールス界面を横切る測定された熱境界伝導率（TBC）は17 MW/m²Kである。
• このTBC値は、物理的蒸着法で形成された金属-ダイヤモンド界面と同等であり、ファンデルワールス結合であるにもかかわらず、強い界面フォノン結合が存在することを示している。
• 膜表面におけるフォノン散乱の増強により、Ga2O3ナノ膜内での熱伝導率が低下していることが観察された。
• ランドアウアー・モデルは、測定値よりも高い内在的TBCを予測しており、実際の系では界面欠険や粗さが性能を制限している可能性を示唆している。
• 熱抵抗モデリングの結果、基板の熱伝導率と界面TBCの両方がデバイスの自己加熱に顕著に影響を与え、特に高出力動作時にはTBCが支配的役割を果たしていることが明らかになった。
• 界面品質の最適化により、Ga2O3-ダイヤモンドヘテロ構造が次世代パワー電子素子に適した熱的性能を達成可能となるだろう。