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【会员论文】西电郝跃院士、马晓华教授、郑雪峰教授团队：β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管在热电模块中的集成，用于热回收和主动冷却

日期：2025-10-10阅读：5

由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、郑雪峰教授的团队在学术期刊 Energy Conversion and Management 发布了一篇名为 Integration of β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes on thermoelectric modules for heat recovery and active cooling（β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管在热电模块中的集成，用于热回收和主动冷却）的文章。

期刊介绍

《Energy Conversion and Management》是 Elsevier 出版的国际权威期刊，主要刊载能源转换、利用、传输、存储与管理等方面的研究。期刊不仅关注能源系统与工程层面的优化与应用，同时也重视先进能源材料与器件在能量转换效率提升中的作用。近年来，涉及半导体材料、薄膜器件、储能材料及其在可再生能源系统中的应用研究在该刊上不断增加，体现了其跨学科与应用导向的特点。根据最新报告，该期刊的影响因子约为10.9，在能源科学与工程领域处于 Q1 分区，具有较高的学术影响力与国际认可度。

项目支持

这项工作部分得到了国家自然科学基金（项目编号：U2241220、62421005）的资助，部分得到了中央高校基本科研业务费（项目编号：YJSJ25013）的资助，部分得到了国家辐射应用技术创新中心基金（项目编号：KFZC2022020401）的资助。

背景

β-Ga₂O₃ 作为一种典型的超宽禁带（UWBG）半导体，因其宽约 4.8 eV 的带隙、超过 8 MV/cm 的击穿电场以及低本征载流子浓度，展现出远优于 GaN 和 SiC 的耐压能力和热稳定性，因此在高功率电子领域引起了广泛关注。然而，β-Ga₂O₃ 的低本征热导率（10–27 W•m^-1•K^-1）使得器件在高功率工作下易产生自热效应和局部热点，进而带来性能衰退和可靠性风险。这一热管理问题亟需解决。热电模块（TEM）凭借其同时具备发电（TEG）与制冷（TEC）功能的双向特性，为电子器件的余热回收和主动冷却提供了新思路。已有研究表明，TEG 可实现余热电能转化，TEC 则能够有效降低结温并改善器件性能。然而，现有工作在系统整体能量平衡、参数优化及双向热电集成设计方面仍存在不足。因此，本研究聚焦于 β-Ga₂O₃ 功率器件的热管理难题，提出在 TEM 平台上集成肖特基势垒二极管（SBD），并结合 TEG 与 TEC 模式，实现余热回收与主动冷却的协同优化。该思路为构建高效、紧凑且自调节的热管理系统提供了理论依据与方法指导。

主要内容

功率器件中的能量转换与热管理的重要性推动了高转换效率与有效散热的研究发展。本工作将 β-Ga₂O₃（β-氧化镓）肖特基势垒二极管（SBD）集成在热电模块（TEM）上，通过理论与实验方法实现了热回收与主动冷却的双向运行模式。结果表明，提高热交换系数能够显著改善 TEM 的性能。在热电发电模式（TEG）下，最大净输出功率和净转换效率分别提高至 0.82 W 和 3.2%，较自然对流条件下分别提升约 6.7 倍和 2.6 倍。在热电制冷模式（TEC）下，考虑到 SBD 输出功率的提升，制冷系数（COP）从 2.88 增加至 3.52，实现约 22.2% 的提升。理论分析表明，热电腿高度会导致 TEG 输出功率和 TEC 制冷能力出现峰值，而 TEG 转换效率则呈现与 TEC COP 的反向趋势。此外，增大散热片高度及换热系数可进一步通过增大温度梯度提升 TEM 性能。本研究提出了一种改善 β-Ga₂O₃ SBD 能量效率与热性能的新方法。

亮点

•提出了一种适用于 SBD-on-TEM 系统的通用理论框架。

•热交换系数在提升系统整体性能中起关键作用。

•TEG的净输出功率和转换效率显著提高。

•通过考虑 SBD 输出功率的提升， TEC的性能系数（COP）得到增强。

•对 SBD-on-TEM 系统进行了全面的优化设计。

总结

在本研究中，β-Ga₂O₃ SBD 功率器件被直接键合到热电模块（TEM）基底上，从而降低了整体热阻，并提升了系统的热性能与电性能。利用耦合热-电场模型，对 SBD-on-TEM 系统在热电发电（TEG）与热电制冷（TEC）模式下的性能进行了全面评估，并通过实验进行了验证。结果表明，提升热交换系数可有效增大 TEM 上下表面的温差，从而显著改善系统性能。在 TEG 模式下，净输出功率达到 0.82 W，净转换效率为 3.2%，分别对应约 6.7 倍和 2.6 倍的性能提升。在 TEC 模式下，考虑 SBD 电性能提升后，性能系数（COP）由 2.88 提升至 3.52，提升幅度为 22.2%。基于所提出的理论模型，进一步开展了优化设计。热电腿高度的变化导致 TEG 输出功率和 TEC 冷却能力出现峰值，而 TEG 的转换效率与 TEC 的性能系数则呈相反变化趋势。此外，通过增加散热片高度及提升热交换系数，可进一步增大温差，从而改善 TEG 与 TEC 的性能。该研究结果为功率器件的余热回收与主动冷却应用的设计与优化提供了重要指导。