西電郝躍院士、張進成教授課題組---具有58 A浪涌電流和關斷態應力研究的1.5 kV β-Ga?O? 垂直SBD
由西安電子科技大學郝躍院士、張進成教授課題組在學術期刊 Applied Physics Letters 發布了一篇名為 1.5 kV β-Ga2O3 vertical Schottky diodes with 58 A surge current and off-state stressing study（具有 58 A 浪涌電流和關斷態應力研究的1.5 kV β-Ga2O3 垂直SBD）的文章。
1. 項目支持
該實驗的一部分經費來自國家自然科學基金（NSFC）的資助，項目編號分別為 62222407 和 62421005，以及部分來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，除了靜態性能（如擊穿電壓、導通電阻）外，其在實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用性的關鍵指標。浪涌電流能力是其中一項重要指標。它衡量器件在短時間內承受遠超其額定電流的過載能力，這對于防止器件在電路啟動、短路或其他瞬態事件中因過流而損壞至關重要。關斷態應力穩定性是另一項關鍵指標。它評估器件在長時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下的長期可靠性非常重要。目前，關于 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斷態應力下的穩定性，相關的實驗研究還非常有限。
3. 主要內容
本研究通過引入雙場板和基于 N 離子注入的邊緣終端（ET）來顯著提高擊穿電壓（BV），從而推進了垂直、大面積（3×3 mm2）β-Ga2O3 肖特基勢壘二極管（SBD）的發展。通過使用邊緣終端來抑制陽極邊緣的集中電場（ET），我們實現了 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 IF 僅下降 24%。這些同時實現的 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高壓、工業級功率電子器件的潛力。
4. 創新點
● 首次對 kV 級（1.5 kV）的 β-Ga2O3 垂直二極管的浪涌電流能力進行了系統的實驗研究和報告。
● 實驗證明了 β-Ga2O3 SBD 具有高達 58 A 的卓越浪涌電流承受能力，這為其實際應用提供了關鍵的可靠性數據。
● 對器件在高反向偏壓下的長期穩定性進行了評估，證實了其在長時間高電場工作條件下的堅固性。
5. 總結
研究團隊開發了一種有效的結構，通過采用雙場板和離子注入邊緣終端來管理大尺寸垂直 β-Ga2O3 肖特基勢壘二極管（SBD）陽極邊緣的電場，從而提高其擊穿電壓（BV）。同時實現了 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，這些性能顯著優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，β-Ga2O3 SBD 與 SiC JBS 二極管的反向恢復比較。 (d) (c) 中虛線區域的放大視圖。(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
本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號