【会员论文】电子科技大学：5.17 GW/cm² 高BFOM的2.7 kV新型3C-SiC/Ga₂O₃异质沟道E模式MISFET

        由电子科技大学易波副教授等人的研究团队在学术期刊 Microelectronics Journal 发布了一篇名为 A Novel 2.7 kV 3C-SiC/Ga₂O₃ Hetero-Channel E-mode MISFET With BFOM up to 5.17 GW/cm²（具有高达 5.17 GW/cm² BFOM 的 2.7 kV 新型 3C-SiC/Ga₂O₃ 异质沟道 E 模式 MISFET）的文章。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和极高的击穿场强，被认为是下一代高功率电子器件的理想材料。然而，β-Ga₂O₃ 的规模化应用面临两大核心瓶颈，极低的热导率会导致器件在高功率运行时产生严重的自热效应，限制了其可靠性。较低的沟道迁移率会导致器件的导通电阻偏高，增加了功率损耗。相比之下，碳化硅（SiC），特别是 3C-SiC 相，具有优异的热导率和高电子迁移率，但在击穿场强方面不及 Ga₂O₃。因此，如何将 Ga₂O₃ 的高耐压特性与 SiC 的高迁移率、高导热性相结合，是突破当前技术瓶颈的关键。

        本文提出一种新型 3C-SiC/Ga₂O₃ 异质沟道 Ga₂O₃ 金属绝缘层场效应晶体管（3C-HC-MISFET），通过实验校准的 TCAD 技术实现增强模式（E-mode）工作，具有低特定导通电阻（R_on,sp）和低反向导通状态电压降（V_{R_ON}）特性。通过将 p 型 3C-SiC 层直接键合于 β-Ga₂O₃ 之上，形成增强模式工作的反转通道。沟槽栅下方的重掺杂 p-NiO 层有效抑制了栅极介质中的电场。此外，p-NiO/Ga₂O₃ 界面形成低势垒异质结二极管（HJD），显著降低 V_{R_ON}。模拟结果表明，该 3C-HC-MISFET 的击穿电压（BV）达约 2.7 kV，开路电阻 R_on,sp 仅为 1.44 mΩ·cm²，较 GaN 极限值降低 12%。相较于传统 Fin 栅金属氧化物半导体场效应晶体管（FG-MISFET），3C-HC-MOSFET 的巴利加优值达 5.17 GW/cm²，提升幅度达 320%。在连续电流脉冲测试中，该器件的最大温升（T_rmax）较 FG-MISFET 降低 29 K。因此，3C-HC-MOSFET 是高压 E 模式 Ga₂O₃ 功率器件的理想候选方案。

        ● 提出了将 3C-SiC 和 β-Ga₂O₃ 结合用于沟道层的新型器件结构，成功将两种材料的优势集于一体。

        ● 该设计有效克服了 Ga₂O₃ 材料本身低迁移率和低热导率的固有缺点，显著提升了器件的综合性能。

        ● 仿真得到的 BFOM 远超现有报道的 Ga₂O₃ 器件，为超宽禁带半导体功率器件的设计提供了全新的思路。

        本文提出了一种新型高压 E-mode Ga₂O₃ 金属绝缘层场效应晶体管（MISFET），其静态导通电阻 R_on,sp 极低，突破了 GaN 材料的极限。采用高沟道迁移率的 3C-SiC 层作为沟道区域，并在栅极底部设置 p 型 NiO 层以保护栅氧化层 Al₂O₃ 和 3C-SiC 层免受预击穿损伤，从而提升了击穿电压（BV）和器件可靠性。相较于 FG-MISFET，3C-HC-MISFET 实现 5.17 GW/cm² 的高比功耗电流密度（BFOM），较 GaN 极限值提升 12%。其导通电压降低 2.33 V。此外，3C-HC-MISFET 的电流-电压曲线漂移显著缩短。更值得注意的是，正向与反向导通状态下的最大温升分别降低 29 K 和 33 K。这些特性使其成为未来高性能电力电子应用的理想候选器件。

图1. FG-MISFET与3C-HC-MISFET的示意性截面图。沟槽 Ga₂O₃ 的圆角半径设定为 0.2 μm。(a) FG-MISFET。(b) 3C-HC-MISFET。(c) 图1 (b) 中 AA' 方向的能带图。(d) 3C-HC-MISFET 的可能制备工艺流程。

图2. 基于测量数据的参数与模型校准。（a）FG-MISFET 的对数与线性标度校准。（b）p-NiO/Ga₂O₃ 异质结的对数与线性标度校准。（c）Arora 迁移率模型的校准。

图3. FG-MISFET中不同材料的最大电场强度（E_max）。（a）N_drift对Al₂O₃和Ga₂O₃的E_max的影响。（b）当BV=2000 V、N_drift=1×10¹⁶ cm⁻³时的电场分布。

图4. Ga₂O₃沟槽圆角半径对 3C-HC-MISFET E_max 的影响。(a) E_max 与 V_DS 关系曲线。(b) 0.2 μm 角半径 3C-HC-MISFET在 V_DS=2725 V 时的电场分布。(c) 无角半径 3C-HC-MISFET 在 V_DS=2523 V 时的电场分布。

图5. (a) 在V_GS=0 V 时，3C-HC-MISFET 中 Ga₂O₃、Al₂O₃ 和 3C-SiC 的 E_max 随 V_DS 变化曲线。(b) NCSL 对 3C-HC-MISFET 的 BV、R_on,sp 和 BFOM 的影响。(c-e) 当 NCSL 分别为 1×10¹⁷ cm^-3、3×10¹⁷ cm^-3 和 5×10¹⁷ cm^-3 时，在 V_DS=2726 V 下的电场分布。(f-h) 在与 (c-e) 相同 NCSL 条件下，V_GS=0 V 时的电子密度分布。

图6. FG-MISFET 与 3C-HC-MISFET 静态特性对比。（a）传输特性。（b）V_GS=20 V 时 3C-HC-MISFET 的电子电流密度分布。（c）输出特性。

图7. (a) GaN 与 4H-SiC 的 R_on,sp 与击穿电压（BV）折衷特性对比。GaN 与 4H-SiC 的电导率分别为 2.8 MV/cm 和 2.5 MV/cm。(b) 反向输出曲线对比。(c)-(f) FG-MISFET 与 3C-HC-MISFET 的电子与空穴电流分布。J_DS = -300 A/cm²。

图8. (a) 寄生电容比较。 (b) 栅极电荷比较。

图9. (a-b) 双脉冲测试下的开关性能。测试条件：芯片面积为 1 cm²，V_DD = 800 V，I_dc = 200 A，R_G = 2 Ω。(c-d) 不同 R_G 条件下 3C-HC-MISFET 的开关曲线。(e-h) 不同器件在不同 R_G 条件下的开关性能。

图10. 不同 R_G 条件下 3C-HC-MISFET 的开关损耗。

图11. 正向与反向导通条件下自发热效应评估（|J_DS| = 300 A/cm²）。(a) 经 200 次电流脉冲测试后正反向测试的最高晶格温度。(b) t = 4 ms（周期 = 20 μs）时 FG-MISFET 与 3C-HC-MISFET 的温度分布。栅极电压上升/下降时间分别为 20 ns。测试器件上下电极分别贴附典型功率器件封装热阻 0.6 cm²·K/W 与 0.78 cm²·K/W（含200 μm Ga₂O₃ 衬底，其热阻计算值为 0.18 cm²·K/W）。

图12. (a) 考虑键合 3C-SiC/Ga₂O₃ 界面处非晶层厚度与摩尔分数后，3C-HC-MISFET中 R_on,sp 的退化现象。非晶层总厚度设定为 4 nm。(b) 当摩尔分数为 0.75 时，在 V_GS=20 V 条件下的导带偏移量(Δφ_EC)。(c) 当摩尔分数为 0.85 时，在 V_GS=20 V 条件下非晶导带的势垒高度。

图13. 对于 MF=0.85 的 3C-HC-MISFET，非晶层界面处受主和施主陷阱对 V_TH（a）和 R_on,sp（b）的影响。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mejo.2025.106955