由西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進(jìn)成教授課題組在學(xué)術(shù)期刊 Applied Physics Letters 發(fā)布了一篇名為 1.5 kV β-Ga₂O₃ vertical Schottky diodes with 58 A surge current and off-state stressing study（具有 58 A 浪涌電流和關(guān)斷態(tài)應(yīng)力研究的1.5 kV β-Ga₂O₃ 垂直SBD）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

該實(shí)驗(yàn)的一部分經(jīng)費(fèi)來(lái)自國(guó)家自然科學(xué)基金（NSFC）的資助，項(xiàng)目編號(hào)分別為 62222407 和 62421005，以及部分來(lái)自廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的資助，項(xiàng)目編號(hào)為 2023B1515040024。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為超寬禁帶半導(dǎo)體，在制造高壓、高效的功率器件方面展現(xiàn)出巨大潛力。對(duì)于功率二極管等器件，除了靜態(tài)性能（如擊穿電壓、導(dǎo)通電阻）外，其在實(shí)際應(yīng)用中承受極端條件的能力，即堅(jiān)固性，是衡量其可靠性和實(shí)用性的關(guān)鍵指標(biāo)。浪涌電流能力是其中一項(xiàng)重要指標(biāo)。它衡量器件在短時(shí)間內(nèi)承受遠(yuǎn)超其額定電流的過(guò)載能力，這對(duì)于防止器件在電路啟動(dòng)、短路或其他瞬態(tài)事件中因過(guò)流而損壞至關(guān)重要。關(guān)斷態(tài)應(yīng)力穩(wěn)定性是另一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。它評(píng)估器件在長(zhǎng)時(shí)間承受高反向偏壓下的性能穩(wěn)定性，對(duì)于確保器件在阻斷狀態(tài)下的長(zhǎng)期可靠性非常重要。目前，關(guān)于 β-Ga₂O₃ 器件，特別是 kV 級(jí)垂直二極管的堅(jiān)固性，包括其浪涌電流能力和關(guān)斷態(tài)應(yīng)力下的穩(wěn)定性，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究還非常有限。

3. 主要內(nèi)容

本研究通過(guò)引入雙場(chǎng)板和基于 N 離子注入的邊緣終端（ET）來(lái)顯著提高擊穿電壓（BV），從而推進(jìn)了垂直、大面積（3×3 mm²）β-Ga₂O₃ 肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）的發(fā)展。通過(guò)使用邊緣終端來(lái)抑制陽(yáng)極邊緣的集中電場(chǎng)（ET），我們實(shí)現(xiàn)了 1.5 kV 的擊穿電壓，其特定導(dǎo)通電阻（R_on,sp）為 9.2 mΩ cm²。這些二極管在 2 V 時(shí)的正向電流（IF）為 11.2 A，峰值浪涌電流高達(dá) 58 A，相應(yīng)的浪涌能量和功率分別為 2.24 J 和 553 W。盡管面積大了 44%，但 SBD 展示了低反向恢復(fù)時(shí)間和可忽略的反向損耗，與市面上高規(guī)格的 30 A SiC 二極管相當(dāng)。此外，即使在 -1 kV 的應(yīng)力下持續(xù) 10³ 秒，V_on 僅輕微變化 0.1 V，ΔR_on,sp 僅增加 4.9%。該二極管在高溫下也表現(xiàn)出色，175°C 時(shí) IF 僅下降 24%。這些同時(shí)實(shí)現(xiàn)的 BV、R_on 和浪涌特性突顯了 β-Ga₂O₃ 肖特基勢(shì)壘二極管作為下一代商業(yè)高壓、工業(yè)級(jí)功率電子器件的潛力。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 首次對(duì) kV 級(jí)（1.5 kV）的 β-Ga₂O₃ 垂直二極管的浪涌電流能力進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究和報(bào)告。

● 實(shí)驗(yàn)證明了 β-Ga₂O₃ SBD 具有高達(dá) 58 A 的卓越浪涌電流承受能力，這為其實(shí)際應(yīng)用提供了關(guān)鍵的可靠性數(shù)據(jù)。

● 對(duì)器件在高反向偏壓下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估，證實(shí)了其在長(zhǎng)時(shí)間高電場(chǎng)工作條件下的堅(jiān)固性。

5. 總結(jié)

研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種有效的結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用雙場(chǎng)板和離子注入邊緣終端來(lái)管理大尺寸垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）陽(yáng)極邊緣的電場(chǎng)，從而提高其擊穿電壓（BV）。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 1.5 kV 的高擊穿電壓、2 V 正向電壓下的 11.2 A 正向電流以及 58 A 的浪涌電流。此外，還具備了溫度穩(wěn)健的正向電流和可忽略不計(jì)的反向恢復(fù)損耗，這些性能顯著優(yōu)于其他高電流和高電壓的 β-Ga₂O₃ SBD，充分展示了 β-Ga₂O₃ SBD 在未來(lái)高功率電子應(yīng)用中的巨大潛力。

圖1. (a) 具有 DFPs-IP ETs 的 β-Ga₂O₃ SBD 的三維截面示意圖。 (b) 具有 9 mm² 面積的 β-Ga₂O₃ SBD 的 C–V 特性曲線及提取的 ND 值為 6 × 10¹⁵ cm^-3。 (c) 器件的顯微照片及其封裝后的器件照片。

圖2. (a) 經(jīng)典板級(jí)雙脈沖測(cè)試照片。(b) 與 (a) 對(duì)應(yīng)的測(cè)試電路示意圖。 (c) 當(dāng)從 30 A 恢復(fù)時(shí)，β-Ga₂O₃ SBD 與 SiC JBS 二極管的反向恢復(fù)比較。 (d) (c) 中虛線區(qū)域的放大視圖。(e) β-Ga₂O₃ SBD 陣列在 8.3 ms 半正弦脈沖下的浪涌電流和電壓波形。 (f) 不同浪涌電流下的對(duì)應(yīng)浪涌能量和功率。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260146

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)