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【会员论文】电子科技大学罗小蓉教授团队：具有扩展p-NiO栅极场板的超低导通电阻高压β-Ga₂O₃ MOSFET

日期：2025-12-23阅读：249

由电子科技大学罗小蓉教授、魏杰研究员、魏雨夕博士后的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Ultralow On-Resistance High-Voltage β-Ga₂O₃ MOSFET With an Extended p-NiO Gate Field Plate（具有延伸p-NiO栅场板的超低阻高压 β-Ga₂O₃ MOSFET）的文章，谭佳蕾博士为论文第一作者。

背景

β-Ga₂O₃ 具有 4.5–4.9 eV 的超宽禁带、8 MV/cm 的高临界击穿电场以及高巴利加优值（BFOM），在下一代功率器件中展现出巨大潜力。过去十年间，β-Ga₂O₃ MOSFET 因在功率应用中的显著优势备受关注。研究人员通过高 k 介质、FinFET 结构、超结技术及 RESURF 技术等手段，持续提升其功率优值（PFOM=BV²/R_on,sp）。此外，为降低静态功耗并增强电力转换应用中的电路安全性，需实现低负阈值电压。凹槽栅、异质结栅与电流阻断层（CBL）是有效提升器件阈值电压的技术手段。然而，以上技术难以同时优化器件比导通电阻与击穿电压——为降低比导通电阻需提升漂移区浓度，进而引发提前击穿。本研究通过 Sentaurus TCAD 仿真，提出并研究了一种具有延伸 p-NiO 栅场板的超低阻高压 β-Ga₂O₃ MOSFET（PFP MOSFET）。与利用辅助耗尽效应而增加掺杂浓度，降低导通电阻的常规 RESURF 器件不同，本器件通过引入电荷积累层以进一步降低导通电阻，从而实现更优的击穿电压—导通电阻折中关系。

主要内容

本文提出并研究了一种具有延伸 p-NiO 栅场板（PFP）的新型 β-Ga₂O₃ MOSFET。其结构特征为：器件具有与栅极短接、并覆盖在漂移区上方的 p-NiO 栅场板，p-NiO 与 β-Ga₂O₃漂移区由 Al₂O₃ 介质层隔离，因此 p-NiO / Al₂O₃ / β-Ga₂O₃漂移区可视为等效MIS（金属氧化物半导体）结构。导通状态下，等效 MIS 结构使位于 p-NiO下方的 Ga₂O₃漂移区表面具有高密度电子积累层，提供额外的超低阻导电路径，从而显著降低比导通电阻。阻断状态下，延伸 p-NiO 栅场板调制电场分布，辅助耗尽漂移区，有效提升击穿电压。此外，PFP MOSFET 允许器件具有更高的掺杂浓度以进一步降低比导通电阻，而不会使击穿电压明显退化。与无延伸 p-NiO 栅场板的器件相比，该器件比导通电阻降低了 45%，击穿电压提升 407%，实现高达 1.63 GW/cm² 的高功率优值。本研究为未来电力转换应用中实现高性能 β-Ga₂O₃ MOSFET 提供了新思路。

结论

本文提出并研究了一种具有超低比导通电阻和高击穿电压的 β-Ga₂O₃ MOSFET。该器件具有延伸p-NiO栅极场板（PFP）结构。该结构在导通状态时引入电子积累层以实现超低比导通电阻，并在阻断状态时调制电场分布、提升击穿电压。通过优化关键参数，PFP MOSFET 实现 6.4 mΩ·cm² 的比导通电阻与 3230V 的高击穿电压，从而实现高达 1.63 GW/cm² 的功率优值。相较于无延伸 p-NiO 栅场板的 PG MOSFET，PFP MOSFET 的比导通电阻与击穿电压分别优化了 45% 和 407%，从而实现更优的击穿电压—导通电阻折中关系，展现出卓越的性能指标。

项目支持

本研究部分由国家自然科学基金（62374028，62404030），由中国博士后科学基金会博士后研究基金（GZC20240199，GZC20240200），以及中央指导地方自主探索项目（2023ZYD0160）的资助。

图1. (a) PFP MOSFET 与 (b) PG MOSFET 的器件结构示意图。

图2. PFP MOSFET 关键制造工艺流程。（a）源漏欧姆接触形成。（b）通过原子层沉积形成 Al₂O₃ 绝缘层。（c）采用射频磁控溅射沉积双层 NiO。（d）形成栅极金属层。

图3. (a) PFP MOSFET导通状态下的工作机制及(b) NiO/Al₂O₃/Ga₂O₃ 能带分布。

图4. (a) PFP MOSFET 在 V_GS = 10 V 和 V_DS = 2 V 条件下电子密度分布。(b) x方向与y方向的电子密度分布曲线。(c) PFP MOSFET 在 V_GS = 10 V、V_DS = 2 V时y方向电流密度分布图。

图5. (a) PFP 与 PG MOSFET在V_DS=4 V 时的转移特性。插图显示两器件在y=1 nm处电子密度随V_GS变化的关系。(b) 不同器件在V_GS=10 V时的输出特性。

图6. (a) PFP MOSFET器件阻断状态下工作机制及 (b) NiO/Al₂O₃/Ga₂O₃ 能带分布。

图7. (a) PFP MOSFET 与 (b) PG MOSFET 击穿时的电势与耗尽区等值线分布。(c) PFP 与 PG MOSFET 击穿时漂移表面电场分布。

图8. (a) 不同NiO浓度下漂移区表面与p-NiO表面的电场分布。(b) NiO浓度与厚度对PFP MOSFET的BV的影响。(c) 不同NiO长度对漂移区表面与p-NiO表面的电场分布的影响。(d) NiO长度与浓度对PFP MOSFET的BV与R_on,sp的影响。(e) 当 L_p=8 µm时，NiO浓度与厚度对BV的影响。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3633223