西電郝躍院士、張進(jìn)成教授課題組---具有58 A浪涌電流和關(guān)斷態(tài)應力研究的1.5 kV β-Ga?O? 垂直SBD
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)應力研究的1.5 kV β-Ga2O3 垂直SBD）的文章。
1. 項目支持
該實(shí)驗的一部分經(jīng)費來(lái)自國家自然科學(xué)基金（NSFC）的資助，項目編號分別為 62222407 和 62421005，以及部分來(lái)自廣東省基礎與應用基礎研究基金的資助，項目編號為 2023B1515040024。
2. 背景
β-氧化鎵（β-Ga2O3）作為超寬禁帶半導體，在制造高壓、高效的功率器件方面展現出巨大潛力。對于功率二極管等器件，除了靜態(tài)性能（如擊穿電壓、導通電阻）外，其在實(shí)際應用中承受極端條件的能力，即堅固性，是衡量其可靠性和實(shí)用性的關(guān)鍵指標。浪涌電流能力是其中一項重要指標。它衡量器件在短時(shí)間內承受遠超其額定電流的過(guò)載能力，這對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)應力穩定性是另一項關(guān)鍵指標。它評估器件在長(cháng)時(shí)間承受高反向偏壓下的性能穩定性，對于確保器件在阻斷狀態(tài)下的長(cháng)期可靠性非常重要。目前，關(guān)于 β-Ga2O3 器件，特別是 kV 級垂直二極管的堅固性，包括其浪涌電流能力和關(guān)斷態(tài)應力下的穩定性，相關(guān)的實(shí)驗研究還非常有限。
3. 主要內容
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(zhù)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)現了 1.5 kV 的擊穿電壓，其特定導通電阻（Ron,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 58 A，相應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 展示了低反向恢復時(shí)間和可忽略的反向損耗，與市面上高規格的 30 A SiC 二極管相當。此外，即使在 -1 kV 的應力下持續 103 秒，Von 僅輕微變化 0.1 V，ΔRon,sp 僅增加 4.9%。該二極管在高溫下也表現出色，175°C 時(shí) IF 僅下降 24%。這些同時(shí)實(shí)現的 BV、Ron 和浪涌特性突顯了 β-Ga2O3 肖特基勢壘二極管作為下一代商業(yè)高壓、工業(yè)級功率電子器件的潛力。
4. 創(chuàng )新點(diǎn)
● 首次對 kV 級（1.5 kV）的 β-Ga2O3 垂直二極管的浪涌電流能力進(jìn)行了系統的實(shí)驗研究和報告。
● 實(shí)驗證明了 β-Ga2O3 SBD 具有高達 58 A 的卓越浪涌電流承受能力，這為其實(shí)際應用提供了關(guān)鍵的可靠性數據。
● 對器件在高反向偏壓下的長(cháng)期穩定性進(jìn)行了評估，證實(shí)了其在長(cháng)時(shí)間高電場(chǎng)工作條件下的堅固性。
5. 總結
研究團隊開(kāi)發(fā)了一種有效的結構，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，還具備了溫度穩健的正向電流和可忽略不計的反向恢復損耗，這些性能顯著(zhù)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(xiàn)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)典板級雙脈沖測試照片。(b) 與 (a) 對應的測試電路示意圖。 (c) 當從 30 A 恢復時(shí)，β-Ga2O3 SBD 與 SiC JBS 二極管的反向恢復比較。 (d) (c) 中虛線(xiàn)區域的放大視圖。(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應浪涌能量和功率。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0260146
本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號