【国际论文】基于E-Mode β-Ga₂O₃ 中间层的垂直沟槽功率MOSFET在高温下的快速开关性能模拟

        由美国爱达荷大学的研究团队在学术期刊 IEEE Access 发布了一篇名为 Simulation of E-Mode β-Ga₂O₃ Interlayer-Based Vertical Trench Power MOSFET With Fast-Switching Performance at High Temperatures（基于 E-Mode β-Ga₂O₃ 中间层的垂直沟槽功率 MOSFET 在高温下的快速开关性能模拟）的文章。

        基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带（WBG）半导体的电力电子市场正因各行业应用需求的激增而显著增长，这些行业包括可再生能源、电机控制、混合动力或电动汽车以及航空航天等。WBG 半导体的主要缺点是其制造成本相对硅（Si）较高。一种新兴的替代 WBG 半导体材料是β相氧化镓（β-Ga₂O₃）。作为超宽禁带（UWBG）半导体材料的候选者，β-Ga₂O₃ 具有约 4.8 eV 的大禁带宽度，大尺寸晶体的成本低于 SiC 和 GaN，Baliga 性能指数大于 SiC 和 GaN，且本征载流子浓度低，具有高温稳定性。过去十年间，β-Ga₂O₃ 的优越材料特性在高功率和高温应用领域吸引了广泛的研究关注。目前利用 β-Ga₂O₃ 开发的主要垂直晶体管包括鳍式场效应晶体管（FinFETs）、电流孔径垂直 MOSFET（CAVETs）和 U 形 MOSFET（UMOSFETs）。

        本文在 Sentaurus TCAD 中设计并模拟了一种基于氮掺杂电流阻挡层（CBL）的垂直沟槽功率 β-Ga₂O₃ MOSFET。所提出的 MOSFET 实现了增强模式（E 模式）操作，并且性能优于已报道的具有 CBL 的 E 模式 β-Ga₂O₃ 晶体管。直流特性显示其开/关电流比高达 10⁸，高于已报道的 β-Ga₂O₃ U 形 MOSFET；其导通电流密度为 94 A/cm²，比已报道的 β-Ga₂O₃ 电流孔径垂直 MOSFET 更高；其特定导通电阻为 26.5 mΩ·cm²，低于已报道的 β-Ga₂O₃ 电流孔垂直 MOSFET；击穿电压为 483 V，高于已报道的 β-Ga₂O₃ 电流孔垂直 MOSFET。热特性研究表明，该器件在 E 模式操作下可工作至 500℃，此时导通电流密度为 35 A/cm²，导通电阻为 10⁴ mΩ·cm²。还对其动态特性进行了研究，在室温下实现了出色的开关性能，导通时间为 29 ns，关断时间为 48 ns。在 500℃ 时，由于电子迁移率降低，导通时间略微增加至 38 ns，但由于关断状态下栅极电荷的放电时间更短，关断时间仍保持在 40 ns 左右。所提出的 MOSFET 在升压转换器应用中进行了测试，在 40% 占空比下获得了 89% 的效率和 1.42 的电压转换比。本研究表明，所提出的 β-Ga₂O₃ MOSFET 在电力电子应用中作为高速开关具有巨大潜力。

图1. 基于夹层的垂直沟槽栅极 β-Ga₂O₃ MOSFET 的示意图截面图。

图 2. 在 N_A,0 = 7.5 × 10¹⁶ cm⁻³ 与 N_D,0 = 2.4 × 10¹⁷ cm⁻³ 的条件下，修正后的 Arora 模型与实测数据的 β-Ga₂O₃ 电子迁移率对比。

DOI：

doi.org/10.1109/ACCESS.2025.3589533