【会员论文】西电郝跃院士、张进成教授课题组---具有58 A浪涌电流和关断态应力研究的1.5 kV β-Ga₂O₃ 垂直SBD

        由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授课题组在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 1.5 kV β-Ga₂O₃ vertical Schottky diodes with 58 A surge current and off-state stressing study（具有 58 A 浪涌电流和关断态应力研究的1.5 kV β-Ga₂O₃ 垂直SBD）的文章。

        该实验的一部分经费来自国家自然科学基金（NSFC）的资助，项目编号分别为 62222407 和 62421005，以及部分来自广东省基础与应用基础研究基金的资助，项目编号为 2023B1515040024。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，在制造高压、高效的功率器件方面展现出巨大潜力。对于功率二极管等器件，除了静态性能（如击穿电压、导通电阻）外，其在实际应用中承受极端条件的能力，即坚固性，是衡量其可靠性和实用性的关键指标。浪涌电流能力是其中一项重要指标。它衡量器件在短时间内承受远超其额定电流的过载能力，这对于防止器件在电路启动、短路或其他瞬态事件中因过流而损坏至关重要。关断态应力稳定性是另一项关键指标。它评估器件在长时间承受高反向偏压下的性能稳定性，对于确保器件在阻断状态下的长期可靠性非常重要。目前，关于 β-Ga₂O₃ 器件，特别是 kV 级垂直二极管的坚固性，包括其浪涌电流能力和关断态应力下的稳定性，相关的实验研究还非常有限。

        本研究通过引入双场板和基于 N 离子注入的边缘终端（ET）来显著提高击穿电压（BV），从而推进了垂直、大面积（3×3 mm²）β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的发展。通过使用边缘终端来抑制阳极边缘的集中电场（ET），我们实现了 1.5 kV 的击穿电压，其特定导通电阻（R_on,sp）为 9.2 mΩ cm²。这些二极管在 2 V 时的正向电流（IF）为 11.2 A，峰值浪涌电流高达 58 A，相应的浪涌能量和功率分别为 2.24 J 和 553 W。尽管面积大了 44%，但 SBD 展示了低反向恢复时间和可忽略的反向损耗，与市面上高规格的 30 A SiC 二极管相当。此外，即使在 -1 kV 的应力下持续 10³ 秒，V_on 仅轻微变化 0.1 V，ΔR_on,sp 仅增加 4.9%。该二极管在高温下也表现出色，175°C 时 IF 仅下降 24%。这些同时实现的 BV、R_on 和浪涌特性突显了 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管作为下一代商业高压、工业级功率电子器件的潜力。

        ● 首次对 kV 级（1.5 kV）的 β-Ga₂O₃ 垂直二极管的浪涌电流能力进行了系统的实验研究和报告。

        ● 实验证明了 β-Ga₂O₃ SBD 具有高达 58 A 的卓越浪涌电流承受能力，这为其实际应用提供了关键的可靠性数据。

        ● 对器件在高反向偏压下的长期稳定性进行了评估，证实了其在长时间高电场工作条件下的坚固性。

        研究团队开发了一种有效的结构，通过采用双场板和离子注入边缘终端来管理大尺寸垂直 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）阳极边缘的电场，从而提高其击穿电压（BV）。同时实现了 1.5 kV 的高击穿电压、2 V 正向电压下的 11.2 A 正向电流以及 58 A 的浪涌电流。此外，还具备了温度稳健的正向电流和可忽略不计的反向恢复损耗，这些性能显著优于其他高电流和高电压的 β-Ga₂O₃ SBD，充分展示了 β-Ga₂O₃ SBD 在未来高功率电子应用中的巨大潜力。

图1. (a) 具有 DFPs-IP ETs 的 β-Ga₂O₃ SBD 的三维截面示意图。 (b) 具有 9 mm² 面积的 β-Ga₂O₃ SBD 的 C–V 特性曲线及提取的 ND 值为 6 × 10¹⁵ cm^-3。 (c) 器件的显微照片及其封装后的器件照片。

图2. (a) 经典板级双脉冲测试照片。(b) 与 (a) 对应的测试电路示意图。 (c) 当从 30 A 恢复时，β-Ga₂O₃ SBD 与 SiC JBS 二极管的反向恢复比较。 (d) (c) 中虚线区域的放大视图。(e) β-Ga₂O₃ SBD 阵列在 8.3 ms 半正弦脉冲下的浪涌电流和电压波形。 (f) 不同浪涌电流下的对应浪涌能量和功率。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0260146