Riešenie pre efektívne chladenie výkonových Ga2O3 polovodičových súčiastok

Oxid galitý (Ga2O3) je perspektívny materiál pre výrobu polovodičových súčiastok. Hlavnou výhodou Ga2O3 je jeho veľká energetická medzera a z toho vyplývajúce vysoké prierazné pole. To umožňuje použitie Ga2O3 pre vysokonapäťové súčiastky, zatiaľ čo široké zakázané pásmo otvára možnosti jeho využitia pre optoelektronické súčiastky pracujúce v hlbokej UV oblasti.

Jednou za hlavných nevýhod Ga2O3 je však jeho nízka tepelná vodivosť, ktorá predstavuje obmedzenie výkonového rozsahu ako aj životnosť súčiastok na báze Ga2O3. Práve problematike nízke tepelnej vodivosti a možných riešeniam sa venovali naši kolegovia v nedávnej štúdii. Problém nízkej tepelnej vodivosti sme je možné minimalizovať rastom Ga2O3 vrstiev na substrátoch SiC, ktoré majú naopak vysokú tepelnú vodivosťou a zároveň poskytujú vhodnú kryštalickú štruktúru pre rast Ga2O3. Na základe kombinácie tepelných meraní a simulácie sme zistili, že umiestnenie tenkých Ga2O3 vrstiev na SiC zabezpečí významné zníženie samoohrevu tranzistorov oproti súčiastkam pripraveným na Ga2O3 substráte (až takmer 30× pre hrúbku < 2 μm) a taktiež, že medzi Ga2O3 vrstvami a SiC substrátom nevzniká významná tepelná bariéra, ktorá by zásadne bránila odvodu stratového tepla. Naša práca otvára nové možnosti integrácii Ga2O3 s podložkami SiC za účelom optimalizácie tepelných vlastností výkonových Ga2O3 súčiastok.

 

 

 

 

 

 

 

Obr.: Povrch Ga2O3 vrstvy zobrazený mikroskopom atomárnych síl (vľavo) a výsledok simulácie samoohrevu ochudobňovacieho poľom riadeného tranzistora (MOSFET) vyrobeného z nami pripravených Ga2O3 vrstiev na SiC (vpravo). Simulácia ukazuje, že pri zachovaní hrúbky kanála 2 μm je samoohrev súčiastky nebadateľný oproti vyšším hrúbkam, resp. prípadu typicky použitého Ga2O3 substrátu namiesto SiC.

Napísal: Fedor Hrubišák

Viac info: Hrubišák, F., et al.: Heteroepitaxial growth of Ga2O3 on 4H-SiC by liquid-injection MOCVD for improved thermal management of Ga2O3 power devices, J. Vacuum Sci Technol. A 41 (2023) 042708.