【知识探索】UCSB氧化镓20kV光导辅助开关器件PCAS怎样比传统器件构建更好的热可靠性和过载能力？

（本文转自碳化硅芯片学习笔记：来自一个碳化硅芯片业余爱好者二堡的学习笔记。原公众号属于个人学习笔记，仅为个人业余兴趣爱好，不涉及任何商业目的。）

        这几天又去一个氧化镓产业发展技术盛会学习了下，感受到氧化镓产业的火热已经超越了越来越内卷的碳化硅。

        这次的氧化镓产业技术盛会，组织得非常好，遇到了非常多的产业和研究机构的老师前辈，以及青年研究员们。和很多朋友们深入交流了氧化镓PCAS器件的可能性，往上捅破天到20kV，30kV…，往下学习MIT宽禁带半导体器件Tom老师大组的650V 普通硅基的光耦成熟产业技术的集成控制，这些讨论让二堡解开了不少疑惑，非常有启发。

        虽然现在咱们有了美国那边的技术方案参照，但想去推动国内的资源支持，特别是各地方和国家项目的资源支持，在技术层面的对比需要讨论清楚。

        刚有幸和一个在电网鲁棒性和超高压领域深耕20多年的年青高帅大佬专家深入交流讨论了三个问题:

        1. 美国的氧化镓PCAS怎么实现万伏千安的?为什么比碳化硅更容易❓

        2. 美国的GO PCAS器件咋散热？氧化镓不是热导率不好么❓

        3. 美国的氧化镓PCAS为什么能构造更好的过载可靠性和高压电网鲁棒性❓

        咱们逐个来讨论下

        1.美国的氧化镓PCAS怎么实现万伏千安的?为什么比碳化硅更容易❓

        氧化镓能比碳化硅更容易实现万伏千安这个事情最近两个月氧化镓光导开关器件全球第一篇及第二篇文章的发表，分别来自于美国劳伦斯实验室20kV以及咱们国防科大王朗宁老师的氧化镓30kV器件实测数据，已经证明了这一点。想想啊，这可是碳化硅器件过去三四十年全球几百个研究团队都没实现的技术指标突破!

        毕竟氧化镓是超宽禁带，比碳化硅材料耐压能力强多了啊！天生使命就是能扛得住超高压。

        电流和成本就更不用说了。氧化镓是熔体法长晶，单斜晶系长晶的缺陷容易闭合，成熟以后没贯穿性缺陷，未来八寸晶圆200人民币一片，学习过去六十年的高压硅堆技术，咱两寸晶圆面积做一整个器件，轻松上万伏千安。

        碳化硅做了三四十年，也没能实现万伏千安。即使到今天，超过1cm*1cm面积的碳化硅1200V器件都几乎没良率了，更不用说超高压。

        以前早期的笑话是，衡量碳化硅晶圆微管缺陷检测的一个测试方法是在晶圆上撒点水加压看漏不漏水，漏水率有多快。据说这还真不是笑话，真是有段时间是这么检测的。4H碳化硅是个六角柱状晶系，天生容易有贯穿性缺陷。如果能找个晶系是像氧化镓斜杠青年左倾右斜的，缺陷也容易闭合起来。

        2.美国的GO PCAS器件咋散热？氧化镓不是热导率不好么❓

        第二个是氧化镓PCAS的散热。咱们先看看现在传统的开关器件为啥会有热可靠性问题。

        核心是，现有的传统开关器件导通电阻和发热的主要是沟道区的几个微米大小的热点，以及外延漂移层的上部分那几个十几个um，所以GaN HEMT老是栅底部附近热击穿，而碳化硅短路耐受SCWT老是烧沟道区附近的栅和源金属融化掉渣。加上钻石散热也扛不住太大的瞬间热量集中在几个微米十几个微米的发热点。

        氧化镓PCAS光导辅助开关器件可不是这样的。它的耐压，导通，和过载能量耗散都广泛的分布在整个晶圆衬底区域上，而不是器件的低压开关区。

        3.美国的氧化镓PCAS为什么能构造更好的过载可靠性和高压电网鲁棒性❓

        和传统的硅或碳化硅IGCT/IGBT/GTO等开关器件不一样，2024年底才发展起来的新型氧化镓PCAS光导辅助开关器件技术里，开关和过载能量的热量分散在几百平方厘米面积的整个晶圆，几百微米甚至几个毫米级别的衬底晶圆区域，那散热耐热可靠性就不是问题啊，整个晶圆散热，咱上世纪六七十年代的高压硅堆封装散热技术方案就很成熟了。完全不是问题!

        所以美国说氧化镓PCAS器件是用来搞高压电网鲁棒性加固的，有道理啊！

        并且，高压电网需要全控器件，传统光导开关PCSS不是全控，容易有大光载流子二次复合发光误触发和后脉冲，但新型氧化镓PCAS光导辅助开关器件可以全控。扛过载都在整个晶圆衬底上，绝对比传统开关器件好。