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电动汽车驱动 ★ 4.0

理解β-Ga2O3肖特基势垒二极管中的直流反向偏置导通与击穿机制

Understanding the DC Reverse Bias Conduction and Breakdown Mechanism in β-Ga2O3 Schottky Barrier Diodes

作者 Harsh Raj · Rajarshi Roy Chaudhuri · Mayank Shrivastava
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年5月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 β–Ga2O3肖特基势垒二极管 反向偏置击穿 反向泄漏传导 电场分布 电子俘获
语言:

中文摘要

本研究首次报道了β - Ga₂O₃肖特基势垒二极管反向偏置击穿的电压斜坡速率相关调制现象。研究表明,在转变为陷阱辅助空间电荷限制传导(SCLC)之前,反向泄漏传导受肖特基接触处的热场电子注入以及通过耗尽区缺陷态的普尔 - 弗兰克尔(PF)输运限制。结果显示,击穿调制是由PF输运向SCLC转变的变化所引起的,而这种转变受电场分布与电子俘获动力学的相互作用支配。采用电致发光(EL)/光致发光(PL)分析来深入了解电场分布以及缺陷态在电流传导中的作用。最后,利用失效后电子显微镜来探究失效对电子俘获和电场动力学的依赖性。

English Abstract

This work, for the first time, reports a voltage ramp rate-dependent modulation of the reverse-bias breakdown of –Ga2O3 Schottky barrier diodes. Reverse leakage conduction is demonstrated to be limited by thermionic-field electron injection at the Schottky contact and Poole-Frenkel (PF) transport through defect states in the depletion region before transitioning into trap-assisted space charge limited conduction (SCLC). Modulation of the breakdown is shown to be caused by alterations in the transition from PF transport to SCLC, governed by the interplay of electric-field distribution and electron trapping dynamics. Electroluminescence (EL)/photoluminescence (PL) analysis is employed to gain insights into the electric field distribution and involvement of defect states in current conduction. Finally, postfailure electron microscopy is used to understand the dependence of failure on electron trapping and electric field dynamics.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于β-Ga2O3肖特基势垒二极管反向击穿机制的研究具有重要的战略价值。作为新一代超宽禁带半导体材料,β-Ga2O3的禁带宽度达4.8eV,理论击穿场强超过8MV/cm,这使其在高压、高功率应用场景中展现出显著优势,与我司光伏逆变器和储能变流器的核心需求高度契合。

该研究首次揭示了电压斜率依赖的击穿调制现象,深入阐明了从Poole-Frenkel输运到空间电荷限制传导的转变机制。这一发现对我司产品开发具有三重意义:首先,理解缺陷态在漏电流传导中的作用,可指导我们优化功率器件的可靠性设计,降低逆变器在高压直流侧的损耗;其次,电场分布与电子俘获动力学的相互作用机理,为提升储能系统PCS的浪涌耐受能力提供了理论依据;第三,通过电致发光和失效分析建立的表征方法,可应用于我司器件筛选和质量控制体系。

然而需要客观认识到,β-Ga2O3技术目前仍处于实验室向产业化过渡的关键阶段。主要挑战包括材料生长成本、热导率较低(约27W/m·K)导致的散热问题,以及大规模制造工艺的成熟度。对阳光电源而言,建议采取"跟踪研究+战略储备"策略:一方面与科研机构建立合作,关注器件可靠性和成本下降路径;另一方面在1200V以上高压应用场景进行前瞻性评估,为未来3-5年的产品迭代做好技术准备,特别是在集中式逆变器和大型储能系统等对高压器件有迫切需求的领域寻求突破机会。