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功率器件技术 SiC器件 ★ 5.0

面向SiC上异质集成β-Ga2O3 SBD布局设计的电热分析

Electrothermal Analysis for Layout Design of Hetero-Integrated β-Ga2O3 SBDs on SiC

作者 Yinfei Xie · Yang He · Zhenghao Shen · Zhenyu Qu · Weiye Liu · Wenhui Xu
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2024年12月
技术分类 功率器件技术
技术标签 SiC器件
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 β-氧化镓 肖特基势垒二极管 电极布局 热管理 电热性能
语言:

中文摘要

β相氧化镓(β - Ga₂O₃)在下一代电力电子领域具有广阔前景,但其较低的热导率要求进行有效的热管理,特别是在高功率应用中。以往的研究主要集中于采用高导热率衬底策略来增强β - Ga₂O₃器件的散热性能。本研究通过三维拉曼测温法和电热模拟进行综合分析,对碳化硅(SiC)上异质集成的β - Ga₂O₃肖特基势垒二极管(SBD)的电极布局(包括形状、尺寸和间距)进行了优化。由于电流密度较高,圆形电极肖特基势垒二极管的峰值温度出现在内电极附近,而叉指电极肖特基势垒二极管的峰值温度出现在阳极附近。特别地,与圆形电极相比,叉指电极提供了更均匀的接触面积,有利于更好地散热,但由于电流拥挤,在指状阳极尖端会出现温度急剧上升的情况。本研究实施了一种平衡电气和热特性的策略,以综合评估功率器件的性能。结果表明,增大电极间距(GE)并对电极尖端进行倒角处理可以促进散热并降低峰值温度,同时在很大程度上保持电气性能(如导通电流与关断电流之比、亚阈值摆幅、理想因子和导通电阻)。本研究通过定量分析电极布局来优化异质集成β - Ga₂O₃肖特基势垒二极管的电热性能,并提供三维热分析以直观呈现器件级散热情况,为科学界提供了有益参考。

English Abstract

-phase gallium oxide ( -Ga2O3) holds promise for next-generation power electronics, but its low thermal conductivity calls for effective thermal management, especially in high-power applications. Previous research mainly focused on using high thermal conductivity substrate strategies to enhance the heat dissipation of -Ga2O3 devices. This work optimizes the electrode layouts (including shape, size, and gap) of hetero-integrated -Ga2O3 Schottky barrier diodes (SBDs) on SiC through comprehensive analysis using 3-D Raman thermometry and electrothermal simulations. Peak temperature occurs near the inner electrode in circular electrode SBDs and near the anode in interdigital electrode SBDs due to the higher current density. In particular, interdigital electrodes provide a more uniform contact area than circular electrodes, promoting better heat dissipation, but an abrupt temperature rise occurs at the finger anode tip due to current crowding. A strategy of balancing electrical and thermal characteristics is implemented to comprehensively evaluate the performance of power devices. Results show that widening the electrode gap (GE) and chamfering the electrode tip can promote heat dissipation and reduce the peak temperature, while largely maintaining the electrical performance (such as I_ ON / I_ OFF ratio, subthreshold swing, ideality factor, and ON-state resistance). Our work benefits the scientific community by quantitatively analyzing the electrode layout to optimize electrothermal performance of hetero-integrated -Ga2O3 SBDs and providing 3-D thermal analysis to visualize device-level heat dissipation.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于β-Ga2O3肖特基势垒二极管(SBD)异质集成技术的研究具有重要的战略参考价值。作为功率半导体器件的潜在革新方向,β-Ga2O3材料凭借其超宽禁带特性,理论上可实现比传统硅基甚至碳化硅器件更高的击穿电压和更低的导通损耗,这与我们在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、高功率密度目标高度契合。

该研究通过三维拉曼测温和电热仿真系统性解决了β-Ga2O3材料固有的低热导率难题。研究发现,相比圆形电极,交指型电极结构能提供更均匀的接触面积和更优的散热性能,而通过优化电极间隙和倒角设计可在保持电气性能的前提下有效降低峰值温度。这种电热协同优化思路对我们设计下一代高密度功率模块具有直接借鉴意义,特别是在1500V及以上高压光伏系统和大容量储能系统中,热管理始终是制约功率密度提升的关键瓶颈。

然而需要客观评估的是,β-Ga2O3技术目前仍处于实验室到产业化的过渡阶段。尽管SiC衬底异质集成方案部分缓解了散热问题,但材料生长工艺、长期可靠性验证、成本控制等方面尚需时日。对阳光电源而言,建议采取"跟踪研究、适时介入"的策略:一方面密切关注该技术在二极管、MOSFET等器件上的成熟度进展;另一方面可考虑在实验性项目中小规模验证其在高温、高频应用场景下的实际表现,为未来3-5年的技术代际升级储备方案,确保在超高压大功率应用领域保持技术领先优势。