摘要

本研究提出了一种基于Ga₂O₃的超宽禁带半导体模块，旨在通过器件-封装电热协同设计，实现脉冲功率电子学中的高功率扩展。

1. 材料选择：选择Ga₂O₃作为主要材料，因其具有高Baliga优值（FOM）和高体积热容（Cᵥ），适合用于高功率脉冲应用。

2. 封装设计：采用高介电常数（κ）的BaTiO₃层作为器件边缘终止与封装界面之间的接口，通过极化诱导偶极子有效平坦化局部电场集中，提高器件的击穿电压（V_B）。同时，这种设计消除了传统倒装芯片封装中所需的支撑柱，降低了热阻。

3. 热管理：利用Ga₂O₃的高体积热容和优化的封装结构，实现高效的瞬态热管理，提高模块在脉冲功率操作下的性能。

4. 模块集成：将多个Ga₂O₃子模块集成到一个全模块中，通过对称排列实现均匀的电流共享，进一步提升功率容量。

图1展示了脉冲功率系统的示意图以及主流功率半导体材料的体积热容和Baliga优值对比。图中明确指出了脉冲功率系统在不同应用中的工作电压和电流范围，强调了下一代器件所需的理想特性。通过对比Si、GaAs、SiC、GaN、Ga₂O₃、AlN和金刚石等材料的体积热容和Baliga优值，图1直观地展示了Ga₂O₃在脉冲功率应用中的优势。其高体积热容意味着在相同功率损耗下温度上升较小，提供了更好的热缓冲能力；而高Baliga优值则表明其在高功率应用中的优异性能。

图2通过模拟和实验验证了高κ接口设计在提升击穿电压方面的有效性。图中展示了三种不同封装结构（SiO₂界面、支撑柱界面和高κ界面）在2000V反向偏压下的电场分布模拟结果。高κ界面设计通过极化效应有效抑制了电场集中，显著提高了击穿电压。实验测得的反向电流-电压特性曲线进一步证实了高κ界面设计的优越性，其击穿电压超过2000V，远高于其他两种结构。此外，图2还展示了高κ界面子模块在不同温度下的正向和反向I-V特性，表明其在高温下的稳定工作能力。

图3详细分析了不同封装结构的热阻和瞬态热性能。通过瞬态双界面法（TDIM）测量了两种Ga₂O₃子模块（带支撑柱和高κ界面）的结到壳热阻（R_θJC），发现高κ界面设计使热阻降低了超过50%。物理模拟揭示了内部温度分布和随时间演化的过程，表明高κ界面模块在所有脉冲条件下均能有效抑制热点，降低峰值温度。基于这些数据，图3进一步推导了不同时间尺度下的最大功率容量密度，显示Ga₂O₃子模块在短脉冲条件下具有显著优势，这得益于其高体积热容和优化的封装结构。

图4展示了Ga₂O₃模块在实际脉冲功率切换电路中的实验验证。通过设计一个板载双脉冲测试（DPT）电路，模拟了高功率电感切换场景，验证了Ga₂O₃子模块在1000V、1000A条件下的连续脉冲切换能力。实验波形和模拟的结温演化表明，模块在高速切换下仍能保持稳定工作。进一步组装的多芯片全模块展示了在1kHz切换频率下的可靠动态切换能力，其开关电压和电流波形证明了模块在高功率脉冲应用中的优越性。图4还通过对比文献报道的其他UWBG器件，突出了本研究所提Ga₂O₃模块在功率容量上的显著提升。

图5深入探讨了Ga₂O₃子模块在短脉冲冲击电流下的性能。通过设计一种可调脉冲宽度的冲击电流测试电路，评估了模块在不同脉冲宽度下的冲击电流承受能力。实验结果显示，Ga₂O₃子模块在3.6μs脉冲宽度下可承受高达856A的峰值冲击电流，且其性能在短脉冲条件下优于同类SiC器件。通过瞬态热模拟，图5进一步揭示了Ga₂O₃和SiC子模块在不同脉冲宽度下的结温演化，表明Ga₂O₃子模块在短脉冲下具有更低的峰值结温，这得益于其高体积热容。