寬禁帶科技論
Theory of Wide Bandgap Semiconductor
"寬禁帶科技論"將介紹寬禁帶半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)的最新科技論文，為讀者提供行業(yè)內(nèi)前沿科技信息。
近日，西安電子科技大學(xué)郝躍院士、張進成教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在微電子領(lǐng)域頂級期刊 IEEE Transactions on Electron Devices發(fā)表了一篇題為“Thermoelectric Cooler-Driven Active Thermal Management for Enhanced Performance and Reliability of GaN Schottky Barrier Diode”的研究論文。該研究首次將熱電冷卻器（TEC）與橫向GaN肖特基勢壘二極管（SBD）進行系統(tǒng)級集成，提出并驗證了一種新型主動熱管理方案，為突破GaN器件的自熱效應(yīng)瓶頸提供了顛覆性解決方案。
隨著5G通信、電動汽車及AI技術(shù)的快速發(fā)展，GaN器件因其高功率密度與高頻特性成為核心功率器件。然而，受限于GaN材料本征熱導(dǎo)率較低僅約200 W/m·K，器件在高功率運行下自熱效應(yīng)嚴重，導(dǎo)致性能退化與可靠性風險，熱管理已成為制約其進一步應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。
針對這一難題，研究團隊創(chuàng)新性地引入TEC作為主動熱管理手段。TEC基于帕爾帖效應(yīng)，可將器件溝道產(chǎn)生的熱量主動運送至熱端并通過風冷系統(tǒng)耗散，從而實現(xiàn)精準、快速且可控的降溫。實驗結(jié)果表明，在2.5 W功耗下，TEC冷卻使GaN SBD的峰值溫度從自然冷卻下的97.9°C顯著降低至33.5°C，降幅高達65.8%；其結(jié)-環(huán)境熱阻（Rj-a）由26.5 K/W銳減至5.3 K/W，降幅超過80%。更重要的是，TEC冷卻使器件實現(xiàn)了8 W的穩(wěn)定運行功率，達到自然冷卻下功率極限2.5 W的三倍以上。
圖1. 第三代半導(dǎo)體、功率器件、轉(zhuǎn)換電路和電力電子應(yīng)用對（a）GaN肖特基二極管在2.5 W耗散功率下的紅外熱像圖：自然對流冷卻（上）與半導(dǎo)體制冷片冷卻（下）對比。（b）不同冷卻方案下的功率-溫度曲線及提取的熱阻值。（c）肖特基二極管斷電狀態(tài)下，半導(dǎo)體制冷片在不同輸入電流下的冷端溫度與電壓變化。（d）不同半導(dǎo)體制冷片輸入電流下GaN肖特基二極管的結(jié)-環(huán)境熱阻變化與系統(tǒng)級能效比。實現(xiàn)碳中和的重要作用。
在電學(xué)性能方面，TEC冷卻通過抑制溝道熱積累，顯著提升了載流子輸運效率。測試表明，TEC冷卻下GaN SBD的導(dǎo)通電阻（Ron）低至2.4 Ω·mm，較自然冷卻下（3.9 Ω·mm）降低了38.5%，達到同類器件的領(lǐng)先水平；正向電流（Ion）在5 V偏壓下達到898.3 mA，提升了21.7%。同時，反向泄漏電流在-80 V偏壓下被抑制至8×10-5 A，降低了51.4%，器件開關(guān)比由107提升至108。研究進一步揭示了TEC冷卻對泄漏機制的調(diào)控作用。在低反向偏壓下，熱電子發(fā)射主導(dǎo)泄漏，TEC冷卻通過降低溫度有效抑制該機制；而在高偏壓下，表面陷阱輔助隧穿成為主導(dǎo)，TEC冷卻雖無法完全消除陷阱，但顯著降低了陷阱俘獲概率，從而延緩泄漏機制的轉(zhuǎn)變點由?4 V推遲至?10 V。此外，溫度依賴性測試進一步證實，降低工作溫度可顯著提升正向?qū)娏鞑⒁种品聪蛐孤瑸門EC冷卻的有效性提供了直接證據(jù)。
圖2. 不同冷卻方案下的電學(xué)特性：(a) 正向輸出特性和導(dǎo)通電阻分布曲線。(b) 對數(shù)電流密度及由提取的A*和φ推導(dǎo)出的理論低壓漏電流計算。(c) 肖特基二極管理想因子η和勢壘高度φ的溫度依賴性。(d) 擊穿特性和反向漏電特性。(e) 高壓漏電流擬合模型證實表面漏電主導(dǎo)。(f) 通過反向偏壓應(yīng)力下溫度依賴的漏電流變化進行模型驗證。不同溫度下所制備GaN SBD的電學(xué)特性：(g) 正向?qū)ㄌ匦裕?h) 反向漏電特性。
在可靠性方面，研究團隊通過多種應(yīng)力測試手段系統(tǒng)評估了TEC冷卻對器件可靠性的提升效果。以脈沖關(guān)態(tài)應(yīng)力測試為例，脈沖寬度5 ms，周期100 ms，偏壓從0 V掃描至?40 V，TEC冷卻器件的電流衰減率僅為4.5%，Ron增幅僅0.2 Ω·mm，而自然冷卻下電流衰減高達12.1%，Ron由6.0 Ω·mm惡化至6.7 Ω·mm。隨著偏壓升高，TEC冷卻器件的ΔRon和ΔIon退化幅度始終低于自然冷卻器件，充分證明TEC冷卻通過降低溝道溫度、抑制聲子散射與載流子陷阱俘獲概率，有效緩解了電流崩塌效應(yīng)。此外，在長期導(dǎo)通/關(guān)態(tài)應(yīng)力及高反向偏壓應(yīng)力測試中，TEC冷卻器件同樣展現(xiàn)出更低的性能退化與泄漏電流，進一步驗證了其在緩解熱致失效與陷阱效應(yīng)方面的顯著優(yōu)勢。
圖3. (a) 自然對流冷卻器件在脈沖關(guān)態(tài)應(yīng)力下的表現(xiàn)（0至-40 V，周期100 ms，脈寬5 ms）。(b) 熱電制冷下器件在相同脈沖應(yīng)力條件下的表現(xiàn)。(c) 兩種冷卻方案下GaN SBD導(dǎo)通電阻變化量ΔRon與導(dǎo)通電流變化量ΔIon隨偏置電壓的變化曲線。
該研究首次系統(tǒng)論證了TEC作為GaN SBD主動熱管理方案的可行性、高效性與可靠性，不僅在熱阻、溫度、電流、功率等多維度刷新性能指標，更為下一代超高壓、高功率密度GaN電子器件的電熱協(xié)同設(shè)計提供了全新思路。TEC冷卻技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、控溫精準等優(yōu)勢，有望成為高密度集成功率模塊的核心熱管理手段，推動GaN器件在極端工況下的工程化應(yīng)用。
西安電子科技大學(xué)馮欣副教授、黨魁副教授、張進成教授為該論文的通訊作者。本研究工作基于西電廣州第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心平臺完成，得到了國家自然科學(xué)基金項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項目、西安電子科技大學(xué)學(xué)科交叉探索專項等聯(lián)合支持。
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原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11408648
DOI：10.1109/TED.2026.3665182
來源：西安電子科技大學(xué)投稿
