【国际论文】美国阿肯色大学：8kV 耗尽型氧化镓 MOSFET 的直流建模

        由美国阿肯色大学的研究团队在学术会议 IEEE Electron Device Letters（IEEE应用电力电子会议与博览会APEC） 发布了一篇名为 DC Modeling of 8 kV Depletion Mode Gallium Oxide MOSFET（8kV 耗尽型氧化镓 MOSFET 的直流建模） 的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借超宽禁带、高临界电场（~8 MV/cm）及低成本单晶衬底制备潜力，成为高压电力电子领域研究热点。其中 β‑Ga₂O₃ 是最稳定晶相，已实现耐压达 8 kV 的耗尽型横向 MOSFET。此前团队已完成 750 V 器件建模，本文将物理基础的紧凑建模方法拓展至更高电压器件，为氧化镓功率器件电路仿真与设计提供支撑。

        氧化镓（Ga₂O₃）凭借其超宽禁带、高临界电场（~8 MV/cm）以及具备成本效益的单晶晶圆生产潜力，近期在高压电力电子领域备受关注。在其多种晶型中，β‑Ga₂O₃ 最稳定，已实现耐压高达 8 kV 的耗尽型横向 MOSFET。基于该团队此前对 750 V β‑Ga₂O₃ MOSFET 的研究工作，本文将基于物理的紧凑建模方法拓展至更高电压器件。该模型将沟道电流与漂移电阻相结合，其中漂移迁移率由霍尔迁移率提取，考虑了四种主要散射机制及其温度依赖性。仿真结果与实测转移特性和输出特性吻合良好，验证了模型在不同电压下的可扩展性。该紧凑模型为将 Ga₂O₃ 器件融入电力电子电路仿真与设计提供了基于物理的框架。

        · 首次将物理紧凑建模方法从 750 V 拓展至 8 kV 高压 β-Ga₂O₃ 耗尽型 MOSFET。

        · 迁移率模型计入极性光学声子、电离杂质、声学形变势、中性杂质四种散射机制与温度效应。

        · 采用双沟道电流公式，精准拟合高低漏电流区间，线性-饱和区过渡平滑。

        · 结合 TCAD 仿真完成 C-V 特性提取，揭示场板结构对电场、泄漏电流与耗尽区的调控规律。

        · 模型仿真与实验数据高度一致，具备宽电压可扩展性，可直接用于电路设计。

        8.03 kV β-Ga₂O₃ 场板 MOSFET 充分展现了氧化镓器件的高压能力，其转移与输出特性稳定，模型拟合结果证实 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET 模型适用于新一代高压器件。研究成功完成 8.03 kV 器件的 TCAD 仿真，清晰揭示了电场分布、电子浓度分布以及场板结构设计的影响。仿真中对场板长度进行了优化，以实现最小泄漏电流与稳健的关态性能。此外，采用基于微扰的频域分析估算器件电容-电压特性，为后续紧凑模型的优化与扩展提供重要依据。

图 1 单斜相 β-Ga₂O₃ 的常规晶胞、8 kV 耗尽型横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 以及直流模型的简化电路图

图 2 (a) β-Ga₂O₃ 中霍尔电子迁移率（虚线）与漂移电子迁移率（实线）随温度的变化 ；(b) 数据估算的温度相关霍尔因子；(c) 300K 时电子霍尔迁移率随电子浓度的变化

图 3 (a) 转移特性与 (b) 输出特性的模型拟合结果

图 4 用于 8 kV β-Ga₂O₃ MOSFET TCAD 仿真的 (a) 器件截面与 (b) 净掺杂绝对值分布；(c) 栅压 V_GS=-25 V、漏压 V_DS=8 kV 时的电势分布；β-Ga₂O₃ MOSFET 在 (d) V_GS=-25 V & V_DS=0 V、(e) V_GS=-25 V & V_DS=81 V、(f) V_GS=-25 V & V_DS=8 kV 下的电场分布；β-Ga₂O₃ MOSFET 在 (g) V_GS=-25 V & V_DS=0 V、(h) V_GS=-25 V & V_DS=81 V、(i) V_GS=-25 V & V_DS=8 kV 下的电子浓度分布

图 5 (a) 泄漏电流随场板长度 LFP 的变化；8.03 kV β-Ga₂O₃ 场板 MOSFET 的 (b) 线性坐标与 (c) 对数坐标下的电容 - 电压特性

DOI：

10.1109/APEC51134.2026.11517172