On the characteristic electrical and thermal properties of beta-phase gallium oxide (β–Ga2O3) Schottky diodes in view of their potential application in power electronics

Abstract

The semiconductor beta gallium oxide (β–Ga2O3) combines a 4.6–4.9 eV wide band gap with the availability of melt-grown wafers and could help meet the growing demand for high-efficiency and low-cost power electronics. However, research still mostly focuses on basic device structures, and the low thermal conductivity raises concerns about potential thermal management problems. The objective of this work is to transition from fundamental device structure research to power electronics applications by experimentally and through simulation investigating the electrical and thermal characteristics of novel β–Ga2O3 diodes from a planned production line. A change of the conduction mechanism leading to an initial decrease and then increase of the conduction losses with rising temperature is observed for multiple but not all diodes. This seems to originate from the device processing rather than the intrinsic properties of β–Ga2O3. Despite a strong variation of the material properties between diodes of the same type, a lower increase in differential on-resistance with rising temperature is observed compared to silicon carbide (SiC) diodes, and measurements of the temperature-dependent ideality factors and Schottky barrier heights indicate stable junction properties. The heat dissipation in Ga2O3 diodes can be improved by thinning the currently 600 μm thick standard devices to thicknesses of 200 μm. In contrast to SiC, however, cooling the devices from the junction side is found to be significantly more effective in reducing the junction temperature despite the smaller cooling area, if the entire anode area is covered with die-attach material. Combined with the potentially low conduction losses, it seems realistic for future Ga2O3 diodes to achieve similar junction temperatures as modern commercial SiC diodes at the same forward current. Even 600 μm thick diodes are successfully implemented in a 400 V buck converter operated at frequencies up to 350 kHz. Peak voltage slew rates exceeding 100 V/ns are achieved, but in continuous operation the diodes exhibit a higher temperature rise than their SiC counterparts. Nevertheless, the efficiencies with a state-of-the-art silicon diode of similar size can be surpassed with the Ga2O3 diodes despite the still higher on-resistance, owing to the absence of recombination losses.

Der Halbleiter beta-Galliumoxid (β–Ga2O3) vereint eine 4.6–4.9 eV breite Bandlücke mit der Verfügbarkeit schmelzgewachsener Wafer und könnte dazu beitragen, den steigenden Bedarf an hocheffizienter und kostengünstiger Leistungselektronik zu decken. Jedoch konzentriert sich die Forschung derzeit noch hauptsächlich auf die grundlegenden Strukturen der Bauelemente. Außerdem weckt die geringe thermische Leitfähigkeit von Ga2O3 Bedenken hinsichtlich möglicher Probleme bei der Wärmeabfuhr. Ziel dieser Arbeit ist, einen Übergang von der bisherigen Forschung auf Bauelementestruktur-Ebene hin zur Anwendung in der Leistungselektronik zu schaffen, indem elektrische und thermische Eigenschaften neuartiger β–Ga2O3 Dioden aus einer geplanten Fertigungslinie experimentell und simulativ untersucht werden. Bei mehreren β–Ga2O3 Dioden ist eine Änderung des Leitmechanismus zu beobachten, die zu einer anfänglichen Abnahme und dann zu einem Anstieg der Leitungsverluste mit steigender Temperatur führt. Dies scheint jedoch auf die Herstellung der Chips zurückzuführen zu sein und nicht direkt auf die intrinsischen Eigenschaften von β–Ga2O3. Trotz einer starken Variation der Materialeigenschaften zwischen Dioden desselben Typs wird ein geringerer Anstieg des differentiellen Durchlasswiderstands mit steigender Temperatur im Vergleich zu Siliziumkarbid (SiC) Dioden beobachtet, und Messungen der temperaturabhängigen Idealitätsfaktoren und Schottky-Barrierenhöhen weisen auf stabile Sperrschicht- bzw. Grenzflächeneigenschaften hin. Die Entwärmung von Ga2O3 Dioden kann durch Abdünnen der derzeit 600 μm dicken Standardbauteile auf Dicken von 200 μm signifikant verbessert werden. Im Gegensatz zu SiC erweist sich jedoch die sperrschichtseitige Kühlung trotz der kleineren Kühlfläche als wesentlich effektiver bei der Senkung der Bauteiltemperatur, wenn die gesamte Anodenfläche mit Lot- bzw. Sinterpaste bedeckt ist. In Verbindung mit den potenziell geringen Leitungsverlusten scheint es realistisch, dass künftige Ga2O3 Dioden bei gleichem Durchlassstrom ähnliche Sperrschichttemperaturen erreichen wie moderne kommerzielle SiC Dioden. Selbst 600 μm dicke Dioden werden erfolgreich in einem 400 V Abwärtswandler eingesetzt, der bei Schaltfrequenzen von bis zu 350 kHz betrieben wird. Es werden maximale Anstiegsgeschwindigkeiten der Spannung von über 100 V/ns erreicht, aber im Dauerbetrieb weisen die Ga2O3 Dioden einen höheren Temperaturanstieg auf als die SiC Vergleichsbauteile. Dennoch können mit den Ga2O3 Freilaufdioden trotz des aktuell höheren Durchlasswiderstandes aufgrund der fehlenden Rekombinationsverluste die Effizienzen mit einer modernen Silizium-Diode ähnlicher Größe übertroffen werden.