【国内论文】哈尔滨工业大学孙华锐团队：基于拉曼热成像和电热仿真对异质集成β-Ga₂O₃-on-SiC肖特基势垒二极管的三维热分析

        近日，哈尔滨工业大学（深圳）孙华锐教授团队和上海微系统所欧欣研究员团队合作在利用拉曼热成像和电热仿真技术对异质集成β-Ga₂O₃-on-SiC肖特基势垒二极管（SBDs）的三维热分析方面取得进展，研究成果以“Three-dimensional thermal analysis of heterogeneously integrated β-Ga₂O₃-on-SiC SBDs using Raman thermography and electrothermal modeling”为题，发表在Applied Physics Letters应用物理类国际顶级期刊上。该论文被选为“Editor's Pick”（编辑精选）文章，意味着该工作具有很高学术价值并在相关领域极具代表性。哈尔滨工业大学（深圳）（论文第一署名单位）谢银飞博士与中国科学院上海微系统与信息技术研究所徐文慧助理研究员为论文的共同第一作者，孙华锐教授和欧欣研究员为论文的共同通讯作者。

        β-Ga₂O₃因其超宽带隙和优异的电学性能，在高功率电子应用中展现出巨大潜力。然而，β-Ga₂O₃具有本征低热导率，为满足高功率密度应用需求，研究者近年来探索将β-Ga₂O₃与高热导率衬底如SiC进行异质集成。为评估新型异质集成氧化镓器件的散热性能，亟需对其工作状态下的温度分布以及热阻构成进行全面分析。传统测温方法如热电偶、电学脉冲法、红外热成像等，由于其损伤性或空间分辨率不足，以及超宽带隙半导体材料对红外光谱的透明性，准确测量β-Ga₂O₃基器件的沟道温度颇具挑战。

        本研究采用三维显微拉曼热成像技术，对异质集成β-Ga₂O₃-on-SiC（GaOISiC）肖特基势垒二极管（SBD）和β-Ga₂O₃体块SBD在不同输入功率下的热学特性进行了研究，准确表征β-Ga₂O₃基器件的峰值温度和沿沟道、跨深度的温度空间分布。本研究将拉曼测量点均匀分布在阳极和阴极之间，以分析器件的水平温度分布。将激光束聚焦在器件内部的不同深度，以进行温度深度扫描。对于异质集成的GaOISiC SBD，由于转移的β-Ga₂O₃层很薄（~130 nm），本研究中可以直接进行拉曼测量得出近表面结温；而对于β-Ga₂O₃体块SBD，拉曼光谱探测到的一定深度上的平均温度，低于近表面的结温，因此本研究利用将纳米粒子拉曼增强技术来测量器件的表面温度。图1（a，b）比较了峰值温度点附近沿横向和深度方向的温度分布。结果显示靠近内部电极附近的沟道内显著发热，尤其对于具有内部阳极的横向圆形SBD表现出显著的热积聚，这归因于更高的电流密度和阳极的肖特基接触的电阻增加。图1（c）对比了使用拉曼热成像、利用计算机辅助设计技术（TCAD）三维电热仿真和红外热成像这三种不同方法的情况下，两种SBD在不同输入功率下的峰值温升和热阻。结果显示，拉曼热成像始终比红外相机测量的温度更接近TCAD模拟结果，验证了拉曼温度映射的准确性，而且GaOISiC SBD的热阻仅为β-Ga₂O₃体块SBD的三分之一。本研究突显了拉曼热成像结合电热仿真在准确测定β-Ga₂O₃基器件温度方面的优势，有助于三维散热路径可视化，并展示了异质集成改善散热的显著效果。

图1  GaOISiC SBD和β-Ga₂O₃体块SBD中（a）横向和（b）深度方向的温度分布，以及（c）不同测温方法测得的热阻对比

DOI：

https://doi.org/10.1063/5.0208975