【国内论文】中北大学：NiO/β-Ga₂O₃ 异质结增强型 HJ-FinFET 的电学特性模拟研究

        由中北大学的研究团队在学术期刊 Crystals 发布了一篇名为 Simulation Study on Electrical Characteristics of NiO/β-Ga₂O₃ Heterojunction Enhancement Mode HJ-FinFET（NiO/β-Ga₂O₃ 异质结增强型 HJ-FinFET 的电学特性模拟研究）的文章。

        本研究得到了山西省重点研发计划（202302030201001）和山西省科技重大专项（202301030201003）的资助。

        由于缺乏有效的 P 型掺杂以及较低的电子迁移率，氧化镓功率器件的耐压性能仍远低于理论值。目前的研究主要集中在通过小尺寸器件来缓解电场集中现象，但针对大尺寸高功率器件及其热稳定性的研究相对较少。此外，氧化镓材料的低热导率，再加上复杂的本征缺陷能级分布、工艺缺陷、界面态以及氧化层陷阱等问题，导致氧化镓器件在可靠性方面面临电学特性漂移和性能加速退化等挑战。本文提出了一种新型氧化镓 FinFET，其栅极采用 NiO/n-Ga₂O₃ 异质结，可实现增强型（E-mode）工作模式。引入的 p-NiO 层显著提升了击穿电压（V_br）；同时，p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结有效降低了反向导通损耗。预计该结构能够实现阈值电压的正向调节，从而满足增强型器件的设计需求。此外，该器件可通过 ALD、MOCVD 及光刻技术实现制备。

        本文提出了一种新型增强型 β-Ga₂O₃ FinFET 结构，其栅极由 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结构成，命名为 HJ-FinFET，并展示了该器件的优异性能。该结构的主要工作机制是：在鳍形沟道两侧引入 p 型 NiO，与 β-Ga₂O₃ 形成 p-n 结，由此产生的耗尽区用于建立电子沟道，从而实现增强型工作。同时，集成了反向 p-NiO/n-Ga₂O₃ 异质结二极管，以降低反向续流损耗。与传统器件相比，HJ-FinFET 的阈值电压得到大幅提升，实现了常关型工作，阈值电压达到正的 2.14 V。同时，该器件的模拟击穿电压达到 2.65 kV，比导通电阻（R_on,sp）为 2.48 mΩ·cm²，对应的功率品质因数（PFOM = BV^2/R_on,sp）为 2840 MW/cm²。此外，研究还重点探讨了构成栅极的异质结层掺杂浓度、漂移层掺杂浓度及沟道宽度对器件电学特性的影响。该结构为实现高性能 β-Ga₂O₃ FinFET 提供了一种可行的思路。

        在本研究中，提出并研究了一种新型增强型（E-mode）NiO/β-Ga₂O₃ 异质结 FinFET（HJ-FinFET），旨在实现高性能的增强型 β-Ga₂O₃ 基 FinFET。重点探讨了构成栅极的异质结层掺杂浓度、漂移层掺杂浓度以及沟道宽度对器件电学特性的影响。仿真结果表明，沟道宽度和 β-Ga₂O₃ 层的掺杂浓度是影响器件性能的主导因素。通过优化相关参数，器件能够在增强型模式下稳定工作，并获得更高的击穿电压。最终，该器件实现了 2.14 V 的开启电压、2.65 kV 的击穿电压、2.48 mΩ·cm² 的低比导通电阻（R_on,sp），以及高达 2840 MW/cm² 的功率品质因数（PFOM）。综上所述，本研究提出的新型器件结构有效克服了传统横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 的常见性能局限，实现了低比导通电阻和高击穿电压兼具的增强型 β-Ga₂O₃ 基 FinFET，为实现高性能功率器件提供了一条新的可行途径。

图 1. FinFET 示意图：（a）常规 β-Ga₂O₃ FinFET；（b）β-Ga₂O₃ 基 HJ-FinFET；（c）NiO/Ga₂O₃ 能带结构示意图。

图 2. HJ-FinFET 在不同 V_GS 下的电子分布：（a）V_GS = −1 V，（b）V_GS = 0 V，（c）V_GS = 2.11 V，（d）V_GS = 5 V;（e）FinFET 和 HJ-FinFET 的传输特性;（f）FinFET 和 HJ-FinFET 的输出特性。

DOI：

doi.org/10.3390/cryst15090771