【国际论文】KAUST对于氧化镓SBD功率芯片的高温实时片上热测量

        由沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队在热学权威期刊 Applied Thermal Engineering 发布了一篇名为 On-chip real-time thermal characterization of beta gallium oxide Schottky barrier diodes（β相氧化镓肖特基势垒二极管的芯片的上实时热特性）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是制造下一代大功率器件的理想材料，但极低的热导率会导致严重的自热效应。器件在工作时产生的热量如果不能有效散发，会导致结温急剧升高，不仅会限制其性能输出，还会严重影响其长期工作的可靠性。因此，精确地、实时地测量器件在实际工作状态下的温度，对于理解其热行为、验证热学模型以及优化散热设计至关重要。传统的测温方法，如红外热像仪或拉曼光谱，存在空间分辨率有限、受表面发射率影响或设备复杂等局限性。

        β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为新兴的超宽禁带半导体，由于其高击穿电压和热稳定性，在新一代高功率电子应用中具有巨大潜力。然而，其固有的低热导率导致在运行过程中产生大量自热，限制了器件的可靠性和性能。在本研究中，李晓航教授团队展示了一种单片集成的微薄膜热电偶（micro-TFTC）系统，对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）进行实时，片上热特性表征。基于铂铬结的 micro-TFTC 通过校准热测量证实具有高灵敏度（19.23 ± 0.41 μV/°C）。实验结果表明存在局部自热现象，在 1.29 W 功耗下结温高达 124 °C，表明存在非线性热响应。这种集成方法能够在关键器件区域进行空间分辨的原位热监测，为热管理和故障缓解策略提供见解。所提出的这项技术加深了对 β-Ga₂O₃ 器件自热现象的理解，并为提高功率电子器件的可靠性提供了一条可扩展的途径。

        ● 将单片 micro-TFTC 集成到 β-Ga₂O₃ SBD 上，实现片上热传感。

        ● 铂铬 TFTC 可实现实时结温监测。

        ● 器件级热映射揭示了 β-Ga₂O₃ SBD 中的自加热效应。

        ● 微型 TFTC 通过校准测量证实了其高灵敏度。

        ● 该研究解决了超宽带隙器件中的热可靠性挑战。

        在本研究中，展示了一种基于单片集成微型热电偶（micro-TFTCs）的 β-Ga₂O₃ 反向偏置二极管（SBD）片上热特性表征方法。研究结果表明，β-Ga₂O₃ SBD 存在显著的自加热效应，结温随功率耗散增加而升高。micro-TFTC 的集成实现了对关键区域（包括肖特基结）的精确、局部化和实时温度监测，这对理解和管理热梯度及热点形成至关重要。

        实验结果显示，在 1.29 W 功率耗散下，肖特基结附近的温度可达约 124 °C，这凸显了高功率应用中有效热管理的重要性。通过精确校准验证的 micro-TFTC 的高灵敏度和鲁棒性，进一步强调了其在电力电子领域更广泛应用的潜力。

        该方法不仅深化了对 β-Ga₂O₃ SBD 热行为的理解，还为设计热稳定性强的器件铺平了道路。micro-TFTC 可提供反馈信息，用于热管理回路以限制长时间暴露于高温环境，从而减少器件退化并延长使用寿命。通过解决下一代高功率半导体技术中的关键挑战，该团队的研究为开发更可靠、高效的电力电子系统做出了贡献。

图1. 制备的二极管与单片集成 micro-TFTC 的示意图。

图2. β-Ga₂O₃ SBD 的微观结构图：(a) 顶视图，展示对称布局，突出中央接触点及周边特征，(b) 活性二极管区域的放大视图，强调金属-半导体界面，(c) 接触垫的详细放大图，重点展示其与二极管结构的对齐情况， (d) 微观尺度结的放大视图，强调其精细结构细节。

DOI：

doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127748