【会员论文】西电郝跃院士、马晓华教授、李园副教授等人团队：一种基于沟槽侧壁界面质量优化策略的电热协同设计Ga₂O₃[100]沟槽型功率二极管

序言

        据中国经济时报报道，在 2023 年中国光谷九峰山论坛暨化合物半导体产业大会上，中国科学院院士郝跃教授指出，虽然氧化物半导体距离大规模产业化应用仍有一定距离，但其广阔的应用前景已清晰可见。与氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）相比，氧化物半导体的禁带宽度更宽，理论上能够实现更低的导通损耗。然而，散热问题仍是制约其产业化的核心瓶颈。

        器件级的热电特性细节与可靠物理依据，是构建（超）宽禁带半导体功率器件自洽电热耦合模型、开展稳态与瞬态热电特性数值仿真、以及进行电热协同优化设计的重要前提。西安电子科技大学集成电路学部马晓华课题组的李园副教授长期聚焦这一关键科学问题，针对阻碍 β-Ga₂O₃ 功率器件走向成熟的核心挑战——器件过热问题，系统突破了多项基础表征与建模关键技术：基于 TDTR（Time-Domain Thermo-reflectance）光学表征的 β-Ga₂O₃ 器件未知热物性参数精确测试技术、基于 TTI（Transient Thermal Imaging）热反射成像的 β-Ga₂O₃ 器件复杂瞬态工况热电特性表征技术、联合材料-器件-封装测试分析的 β-Ga₂O₃ 器件热电耦合正向物理建模技术。在此基础上，她开展了 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管、MOSFET 等器件的电热协同设计与热控系统技术的系列研究，建立了高精度（超）宽禁带半导体功率器件电热耦合建模与协同优化设计的研究框架。

        其代表性研究成果包括：

        ·An Electro-Thermal Co-Designed Ga₂O₃ [100] Trench Power Diode Featuring Ferroelectric Dielectric

        ·Electro-Thermal Co-Design β-Ga₂O₃ MOS-Type Trench Diode Based on Optimized Trench-Sidewall Interface Quality Strategy and Mechanism Study

        ·Implications for FD-OSIQ-Based Electrothermal Co-Design: Degradation of Reverse Performance in β-Ga₂O₃ Ferroelectric Trench Diodes Under Forward-Voltage Stress

        ·Electro-Thermal Improvement in a β-Ga₂O₃ Cage-Integrated Slanted-Fin MOSFET

        ·The Diamond-Plate Double-Side-Cooled β-Ga₂O₃ SBD Prototype with an Ultra-Low RθJC of 0.24 K/W

        该系列工作突破了传统单一物理场设计的局限，深度整合电学与热学的耦合机制，系统揭示了 β-Ga₂O₃ 器件在稳态与瞬态工况下电场-热场及其相互作用的物理机理，为器件结构优化、电热协同设计以及提升工作鲁棒性提供了重要理论支撑。该研究框架对推动（超）宽禁带半导体功率器件的工程化应用与产业化进程，具有重要的理论价值和指导意义。

        以下是本系列首篇工作的相关报道。

        由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、李园副教授等人的研究团队在学术会议 The 35th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs（ISPSD 2023）上发布了一篇名为 An Electro-Thermal Co-Designed Ga₂O₃ [100] Trench Power Diode Featuring Ferroelectric Dielectric  （一种电热协同设计的采用铁电介质 Ga₂O₃[100] 沟槽功率二极管）的文章。

        虽然氧化镓凭借超宽禁带和极高击穿场强成为下一代功率器件的核心候选材料，但其散热困难引发的器件过热已成为制约其技术成熟的主要瓶颈。尽管在沟槽（Trench）结构器件中，[100] 晶向的沟槽侧壁相比常规的 [010] 晶向拥有显著更高的热导率，但由于侧壁取向相关的刻蚀损伤更为严重，导致 [100] 沟槽侧壁氧化镓器件因界面质量恶化极少被采用。为了打破这一由工艺限制带来的电、热性能制约，研究团队提出利用铁电介质材料钛酸铅锆（PZT）来优化沟槽侧壁界面质量的全新策略，旨在首次实现兼具优异电学导通与超强散热能力的电热协同设计氧化镓 [100] 沟槽二极管。

        氧化镓（Ga₂O₃）技术走向成熟的一个主要障碍是器件过热。对于 Ga₂O₃ 沟槽器件而言，尽管 [100] 沟槽侧壁的热导率（k_T[010]）高于 [010] 沟槽侧壁，但由于侧壁取向依赖的蚀刻损伤导致侧壁界面质量最差，很少采用具有 [100] 沟槽的 Ga₂O₃ 沟槽器件。本研究首次提出基于铁电介质优化沟槽侧壁界面质量的电热协同设计的 Ga₂O₃[100] 沟槽二极管，与 Ga₂O₃[010] 沟槽二极管相比，表现出更优的热电性能。在相同的功耗下，Ga₂O₃[100] 沟槽二极管的中心结温最低，比 Ga₂O₃[010] 沟槽二极管低 9 °C。这种新的界面质量优化策略为 Ga₂O₃ 沟槽器件的电热优化提供了巨大的潜力。

        ·研究首次引入了铁电高介电常数（High-k）PZT 材料作为沟槽二极管的介质层。这一创新的界面优化策略成功修复了氧化镓侧壁因各向异性刻蚀所导致的严重电荷捕获与界面损伤，攻克了高侧壁热导率 [100] 沟槽难以应用的物理障碍。 实现了真正的电热协同优化。

        ·热反射热成像（TTI）测试表明，在相同的正向功耗下，基于电热协同设计的 [100] 沟槽 PZT 二极管展现出了最低的中心结温，其结温比传统的 [010] 沟槽二极管整整降低了 9 °C，大幅缓解了氧化镓功率器件体材料热聚集和热耗散的难题。

        ·得益于 PZT 对侧壁界面质量的优化（OSIQ），新型 [100] 沟槽器件在脉冲和直流测试下均展现出比 [010] 器件更高的正向电流密度。其正扫和回扫正向 IV 脉冲曲线几乎完全重叠，表明沟槽表面由刻蚀引起的界面俘获被铁电层内建电场有效缓解。

        ·该工作在全垂直 HVPE 氧化镓外延片上成功落地了热电协同设计策略的 [100] 沟槽工艺，为未来大功率、高频氧化镓 MIS 沟槽型功率器件的器件级热管理和产业化开辟了一条低成本可行性极高的全物理层设计路线。

        本篇文章所提出的电热协同设计的 Ga₂O₃ [100] TD（具有铁电介质特性）首次展现出比 [010] TD 更优异的性能，这为 Ga₂O₃ 沟槽器件的设计优化提供了巨大潜力。

        本工作由国家自然科学基金（项目编号：62204187）资助。

图1. 沟槽二极管的横截面示意图。

图2. 沿 [010] 方向（0° 旋转）有沟槽的 TDs 图像和沿 [100] 方向（90° 旋转）有沟槽的 TDs 图像。

图3. Ga₂O₃ 沟槽二极管的制造工艺流程。

图4. 1微米沟槽深度（d_tr）的扫描电子显微镜图像。

图5. (a) PZT TD2&3 的反向偏置 I - V 特性。(b) 分别在脉冲测量下，PZT TD2 在 0°旋转和 90° 旋转时的正向 I – V 特性。(c) 分别在脉冲测量下，PZT TD3 在 0° 旋转和 90° 旋转时的正向 I – V 特性。

图6. (a) 分别在脉冲上升和脉冲下降测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 HfO₂ TD1的正向 I – V 特性。(b) 在直流测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 HfO₂ TD1 的正向 I – V 特性。

图7. 在相同的前向功耗（319 mW，10 s）下，使用 SanjSCOPETM 热反射热成像系统（TTI）测量的 HfO₂ TD1 在（a）0° 旋转和（b）90° 旋转时的热图像。方框表示每个 TD 测量的阳极区域。

图8. 分别在脉冲 1 向上和向下测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 PZT（a）TD2 和（b）TD3 的正向 I – V 特性（测量前无预电压应力）。分别在脉冲 2 向上和向下测量下，0° 旋转和 90° 旋转的 PZT（c）TD2 和（d）TD3 的正向 I – V 特性（测量前有预电压应力）。

图9. 分别在直流测量下（脉冲 2 后）0° 旋转和 90° 旋转的 PZT (a)TD2 和(b)TD3的正向 I – V 特性。

图10. 在脉冲 1&2 测量下，PZT TD2&3 在 0° 和 90° 旋转时，13 V 下的电流密度数据。

图11. 在脉冲 2 和直流测量下，PZT TD2&3 在 13 V 电压下，分别以 0° 和 90° 旋转时的电流密度数据。

图12. 在相同的前向功耗（319 mW，10 s）下，分别使用 SanjSCOPETM TTI 测量的 PZT TD2&3 在 0° 和 90° 旋转时的热像图。红色框表示每个 PZT TD2&3 测量的阳极区域。

图13. 在相同的前向功耗 319 mW（10秒）下，PZT TD2&3 中不同阳极区域的温升。

DOI:

10.1109/ISPSD57135.2023.10147506