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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(tài)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(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

該實驗的一部分經(jīng)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(xiàn)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(tài)事件中因過流而損壞至關重要。關斷態(tài)應力穩(wěn)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(wěn)定性,對于確保器件在阻斷狀態(tài)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(tài)應力下的穩(wěn)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-Ga2O肖特基勢壘二極管(SBD)的發(fā)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(xiàn)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(guī)格的 30 A SiC 二極管相當。此外,即使在 -1 kV 的應力下持續(xù) 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(xiàn)出色,175°C 時 IF 僅下降 24%。這些同時實現(xiàn)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

● 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(tǒng)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(shù)據(jù)。

● 對器件在高反向偏壓下的長期穩(wěn)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(fā)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(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的反向恢復損耗,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(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,β-Ga2O3 SBD 與 SiC JBS 二極管的反向恢復比較。 (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

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