由沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)（KAUST）的研究團(tuán)隊在熱學(xué)權(quán)威期刊 Applied Thermal Engineering 發(fā)布了一篇名為 On-chip real-time thermal characterization of beta gallium oxide Schottky barrier diodes（β相氧化鎵肖特基勢壘二極管的芯片的上實時熱特性）的文章。

1. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）是制造下一代大功率器件的理想材料，但極低的熱導(dǎo)率會導(dǎo)致嚴(yán)重的自熱效應(yīng)。器件在工作時產(chǎn)生的熱量如果不能有效散發(fā)，會導(dǎo)致結(jié)溫急劇升高，不僅會限制其性能輸出，還會嚴(yán)重影響其長期工作的可靠性。因此，精確地、實時地測量器件在實際工作狀態(tài)下的溫度，對于理解其熱行為、驗證熱學(xué)模型以及優(yōu)化散熱設(shè)計至關(guān)重要。傳統(tǒng)的測溫方法，如紅外熱像儀或拉曼光譜，存在空間分辨率有限、受表面發(fā)射率影響或設(shè)備復(fù)雜等局限性。

2. 主要內(nèi)容

β相氧化鎵（β-Ga₂O₃）作為新興的超寬禁帶半導(dǎo)體，由于其高擊穿電壓和熱穩(wěn)定性，在新一代高功率電子應(yīng)用中具有巨大潛力。然而，其固有的低熱導(dǎo)率導(dǎo)致在運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量自熱，限制了器件的可靠性和性能。在本研究中，李曉航教授團(tuán)隊展示了一種單片集成的微薄膜熱電偶（micro-TFTC）系統(tǒng)，對 β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管（SBD）進(jìn)行實時，片上熱特性表征?；阢K鉻結(jié)的 micro-TFTC 通過校準(zhǔn)熱測量證實具有高靈敏度（19.23 ± 0.41 μV/°C）。實驗結(jié)果表明存在局部自熱現(xiàn)象，在 1.29 W 功耗下結(jié)溫高達(dá) 124 °C，表明存在非線性熱響應(yīng)。這種集成方法能夠在關(guān)鍵器件區(qū)域進(jìn)行空間分辨的原位熱監(jiān)測，為熱管理和故障緩解策略提供見解。所提出的這項技術(shù)加深了對 β-Ga₂O₃ 器件自熱現(xiàn)象的理解，并為提高功率電子器件的可靠性提供了一條可擴(kuò)展的途徑。

3. 創(chuàng)新點

● 將單片 micro-TFTC 集成到 β-Ga₂O₃ SBD 上，實現(xiàn)片上熱傳感。

● 鉑鉻 TFTC 可實現(xiàn)實時結(jié)溫監(jiān)測。

● 器件級熱映射揭示了 β-Ga₂O₃ SBD 中的自加熱效應(yīng)。

● 微型 TFTC 通過校準(zhǔn)測量證實了其高靈敏度。

● 該研究解決了超寬帶隙器件中的熱可靠性挑戰(zhàn)。

4. 結(jié)論

在本研究中，展示了一種基于單片集成微型熱電偶（micro-TFTCs）的 β-Ga₂O₃ 反向偏置二極管（SBD）片上熱特性表征方法。研究結(jié)果表明，β-Ga₂O₃ SBD 存在顯著的自加熱效應(yīng)，結(jié)溫隨功率耗散增加而升高。micro-TFTC 的集成實現(xiàn)了對關(guān)鍵區(qū)域（包括肖特基結(jié)）的精確、局部化和實時溫度監(jiān)測，這對理解和管理熱梯度及熱點形成至關(guān)重要。

實驗結(jié)果顯示，在 1.29 W 功率耗散下，肖特基結(jié)附近的溫度可達(dá)約 124 °C，這凸顯了高功率應(yīng)用中有效熱管理的重要性。通過精確校準(zhǔn)驗證的 micro-TFTC 的高靈敏度和魯棒性，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了其在電力電子領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用的潛力。

該方法不僅深化了對 β-Ga₂O₃ SBD 熱行為的理解，還為設(shè)計熱穩(wěn)定性強(qiáng)的器件鋪平了道路。micro-TFTC 可提供反饋信息，用于熱管理回路以限制長時間暴露于高溫環(huán)境，從而減少器件退化并延長使用壽命。通過解決下一代高功率半導(dǎo)體技術(shù)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊的研究為開發(fā)更可靠、高效的電力電子系統(tǒng)做出了貢獻(xiàn)。

圖1. 制備的二極管與單片集成 micro-TFTC 的示意圖。

圖2. β-Ga₂O₃ SBD 的微觀結(jié)構(gòu)圖：(a) 頂視圖，展示對稱布局，突出中央接觸點及周邊特征，(b) 活性二極管區(qū)域的放大視圖，強(qiáng)調(diào)金屬-半導(dǎo)體界面，(c) 接觸墊的詳細(xì)放大圖，重點展示其與二極管結(jié)構(gòu)的對齊情況， (d) 微觀尺度結(jié)的放大視圖，強(qiáng)調(diào)其精細(xì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

DOI：

doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2025.127748

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號