由電子科技大學羅小蓉教授、魏杰研究員、魏雨夕博士后的研究團隊在學術期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)布了一篇名為 Ultralow On-Resistance High-Voltage β-Ga2O3 MOSFET With an Extended p-NiO Gate Field Plate（具有延伸p-NiO柵場板的超低阻高壓 β-Ga2O3MOSFET）的文章，譚佳蕾博士為論文第一作者。
背景
β-Ga2O3 具有 4.5–4.9 eV 的超寬禁帶、8 MV/cm 的高臨界擊穿電場以及高巴利加優(yōu)值（BFOM），在下一代功率器件中展現(xiàn)出巨大潛力。過去十年間，β-Ga2O3 MOSFET 因在功率應用中的顯著優(yōu)勢備受關注。研究人員通過高 k 介質、FinFET 結構、超結技術及 RESURF 技術等手段，持續(xù)提升其功率優(yōu)值（PFOM=BV2/Ron,sp）。此外，為降低靜態(tài)功耗并增強電力轉換應用中的電路安全性，需實現(xiàn)低負閾值電壓。凹槽柵、異質結柵與電流阻斷層（CBL）是有效提升器件閾值電壓的技術手段。然而，以上技術難以同時優(yōu)化器件比導通電阻與擊穿電壓——為降低比導通電阻需提升漂移區(qū)濃度，進而引發(fā)提前擊穿。本研究通過 Sentaurus TCAD 仿真，提出并研究了一種具有延伸 p-NiO 柵場板的超低阻高壓 β-Ga2O3 MOSFET（PFP MOSFET）。與利用輔助耗盡效應而增加摻雜濃度，降低導通電阻的常規(guī) RESURF 器件不同，本器件通過引入電荷積累層以進一步降低導通電阻，從而實現(xiàn)更優(yōu)的擊穿電壓—導通電阻折中關系。
主要內(nèi)容
本文提出并研究了一種具有延伸 p-NiO 柵場板（PFP）的新型 β-Ga2O3 MOSFET。其結構特征為：器件具有與柵極短接、并覆蓋在漂移區(qū)上方的 p-NiO 柵場板，p-NiO 與 β-Ga2O3 漂移區(qū)由 Al2O3 介質層隔離，因此 p-NiO / Al2O3 / β-Ga2O3 漂移區(qū)可視為等效MIS（金屬氧化物半導體）結構。導通狀態(tài)下，等效 MIS 結構使位于 p-NiO下方的 Ga2O3 漂移區(qū)表面具有高密度電子積累層，提供額外的超低阻導電路徑，從而顯著降低比導通電阻。阻斷狀態(tài)下，延伸 p-NiO 柵場板調制電場分布，輔助耗盡漂移區(qū)，有效提升擊穿電壓。此外，PFP MOSFET 允許器件具有更高的摻雜濃度以進一步降低比導通電阻，而不會使擊穿電壓明顯退化。與無延伸 p-NiO 柵場板的器件相比，該器件比導通電阻降低了 45%，擊穿電壓提升 407%，實現(xiàn)高達 1.63 GW/cm2 的高功率優(yōu)值。本研究為未來電力轉換應用中實現(xiàn)高性能 β-Ga2O3 MOSFET 提供了新思路。
結論
本文提出并研究了一種具有超低比導通電阻和高擊穿電壓的 β-Ga2O3 MOSFET。該器件具有延伸p-NiO柵極場板（PFP）結構。該結構在導通狀態(tài)時引入電子積累層以實現(xiàn)超低比導通電阻，并在阻斷狀態(tài)時調制電場分布、提升擊穿電壓。通過優(yōu)化關鍵參數(shù)，PFP MOSFET 實現(xiàn) 6.4 mΩ·cm2 的比導通電阻與 3230V 的高擊穿電壓，從而實現(xiàn)高達 1.63 GW/cm2 的功率優(yōu)值。相較于無延伸 p-NiO 柵場板的 PG MOSFET，PFP MOSFET 的比導通電阻與擊穿電壓分別優(yōu)化了 45% 和 407%，從而實現(xiàn)更優(yōu)的擊穿電壓—導通電阻折中關系，展現(xiàn)出卓越的性能指標。
項目支持
本研究部分由國家自然科學基金（62374028，62404030），由中國博士后科學基金會博士后研究基金（GZC20240199，GZC20240200），以及中央指導地方自主探索項目（2023ZYD0160）的資助。
圖1. (a) PFP MOSFET 與 (b) PG MOSFET 的器件結構示意圖。
圖2. PFP MOSFET 關鍵制造工藝流程。（a）源漏歐姆接觸形成。（b）通過原子層沉積形成 Al2O3 絕緣層。（c）采用射頻磁控濺射沉積雙層 NiO。（d）形成柵極金屬層。
圖3. (a) PFP MOSFET導通狀態(tài)下的工作機制及(b) NiO/Al2O3/Ga2O3 能帶分布。
圖4. (a) PFP MOSFET 在 VGS = 10 V 和 VDS = 2 V 條件下電子密度分布。(b) x方向與y方向的電子密度分布曲線。(c) PFP MOSFET 在 VGS = 10 V、VDS = 2 V時y方向電流密度分布圖。
圖5. (a) PFP 與 PG MOSFET在VDS=4 V 時的轉移特性。插圖顯示兩器件在y=1 nm處電子密度隨VGS變化的關系。(b) 不同器件在VGS=10 V時的輸出特性。
圖6. (a) PFP MOSFET器件阻斷狀態(tài)下工作機制及 (b) NiO/Al2O3/Ga2O3 能帶分布。
圖7. (a) PFP MOSFET 與 (b) PG MOSFET 擊穿時的電勢與耗盡區(qū)等值線分布。(c) PFP 與 PG MOSFET 擊穿時漂移表面電場分布。
圖8. (a) 不同NiO濃度下漂移區(qū)表面與p-NiO表面的電場分布。(b) NiO濃度與厚度對PFP MOSFET的BV的影響。(c) 不同NiO長度對漂移區(qū)表面與p-NiO表面的電場分布的影響。(d) NiO長度與濃度對PFP MOSFET的BV與Ron,sp的影響。(e) 當 Lp=8 µm時，NiO濃度與厚度對BV的影響。
DOI：doi.org/10.1109/TED.2025.3633223
文章由電子科技大學魏雨夕博士后供稿。
（來源：亞洲氧化鎵聯(lián)盟）
