Ga2O3肖特基势垒二极管热阻的微调

减薄同质衬底可导致破纪录的功率转换效率

 

Ga2O3功率器件的致命弱点是散热不良，这归因于这种氧化物的低导热性。但中国南京大学的一个团队表示，这种缺点可以通过大幅减薄衬底来消除，从而实现破纪录的功率转换效率。

 

这些工程师指出，先进Ga2O3器件的厚度通常在400 um到600 um之间，但通过三步工艺，这一厚度可降低到100 um以下，从而导致肖特基势垒二极管的热阻降低，从而提供更好的功率特性。

 

这些器件是通过加工日本新型晶体技术制造的外延片生产的。这些外延片将640 um厚的掺锡beta-Ga2O3衬底与10 um厚的硅掺杂beta-Ga2O3漂移层结合，通过HVPE生长。在开始细化过程之前，该团队应用了6 um厚的光刻胶来保护漂移层。

 

三阶段减薄过程从使用锋利的磨粒快速机械研磨开始，磨粒将基材减薄至250 um左右。然后进行机械细磨，使用Al2O3磨料与蒸馏水混合，将厚度减薄至150 um。最后一个过程涉及使用胶体二氧化硅悬浮液进行化学机械抛光，使体厚度低至70 um。

 

团队发言人Jiandong Ye告诉 ，整个减薄过程需要3个小时，大部分时间花在第二步和第三步。

 

研究人员在进行化学机械抛光时必须非常小心，以避免损坏器件。这一步大约需要90分钟，但Ye认为可以通过优化压盘旋转速度和抛光压力来改进减薄配方来缩短这一步。

 

Ye相信，该团队的三步衬底减薄技术可以应用于大批量器件生产。“这一成就也将在未来由晶圆厂实现，这可能是克服Ga2O3导热系数低缺点的最简单和最有效的方法。”

 

Ye和他的同事们利用他们的薄外延片，通过电子束蒸发、退火和光刻技术生产了二极管。制造的器件具有3 um×3 um的接触面积和一对长度分别为10 um和30 um的场板。

 

在250℃下使用无压纳米银烧结 时，工程师们用倒装芯片将其大面积器件连接到0.5 mm厚的高导热铜-钼-铜衬底上。

 

为了对其二极管的性能进行基准测试，该团队制作了一个对照器件，除了体厚为150 um外，其他所有方式都相同。

 

电流-电压测量表明，这两种肖特基势垒二极管的阻断电压约为355 V至380 V。这些值约为团队先前生产的器件的三倍，归因于引入了场板。其他测量结果表明，减小的体厚度将热阻从2.71 K/W降低到1.48 K/W，将浪涌电流从47 A增加到59 A，并将功率转换效率提高到98.9%。“据我们所知，在我们的工作中实现的98.9%的功率转换效率是报道的Ga2O3功率整流器中最高的，”Ye说。

 

他计划通过改进材料或制造工艺来优化器件的体厚度并增强其电热耐用性。另一个目的是提高大面积Ga2O3肖特基势垒二极管的击穿电压。这可以通过端接技术来解决，例如小角度斜面台面结构。

 

上图：肖特基势垒二极管具有薄体（a）和一对场板（b），以封装形式（c）提供优异的转换效率。

 

参考文献

H. Gong et al. IEEE Electron Device Lett. 43 773 (2022)

 

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