【会员论文】西安电子科技大学马晓华教授团队：β‑Ga₂O₃ 笼式集成倾斜 Fin MOSFET 的电热性能改进

        由西安电子科技大学马晓华教授、陆小力教授的研究团队在学术期刊 Micromachines 发布了一篇名为 Electro-Thermal Improvement in a β-Ga₂O₃ Cage-Integrated Slanted-Fin MOSFET（β-Ga₂O₃ 笼式集成倾斜 Fin MOSFET 的电热性能改进）的文章。

        β‑Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具备高 Baliga 优值与高临界击穿电场，是下一代功率器件的理想候选材料。但其本征热导率较低，器件自热效应显著，同时栅漏区电场聚集严重，制约了高压与散热能力的协同提升。现有研究多单独开展电场调控或热管理，难以在同一器件结构中同时实现击穿电压提升与自热抑制，缺乏经过实验验证的、面向器件版图层级的电热协同优化方案。

        该团队提出一种 β-Ga₂O₃ 笼式集成倾斜 Fin MOSFET（C-SFMOSFET），通过优化笼条与鳍条、笼条与漏极的距离，使笼条结构同步增强沟道耗尽并提升栅漏区散热能力。与基准倾斜 Fin MOSFET（SFMOSFET）相比，所提出的 4 笼条 C-SFMOSFET 实现了 1.75 倍的 Baliga 优值提升，并在 0.55 W/mm 功耗下将峰值结温降低 8 ℃。结果表明，所提出的器件版图可有效改善器件级电热性能，进一步发挥超宽禁带 β-Ga₂O₃ 的固有优势。

        •提出笼式集成倾斜 Fin 结构，实现 β-Ga₂O₃ MOSFET 的电热协同优化。

        •笼条结构优化电场分布，抑制栅漏区电场聚集。

        •笼条结构提供额外热扩散路径，增强正面散热能力。

        •实验证实 4 笼条 C-SFMOSFET 使 BFOM 提升 1.75 倍，峰值温度降低 8 ℃。

        •电热优化策略通过 TCAD 模拟与实验测试共同验证。

        该团队提出一种电热性能提升的 β-Ga₂O₃ C-SFMOSFET。笼式集成倾斜 Fin 结构改善沟道耗尽并提升击穿电压。此外，笼条结构促进热传输与正面散热，有助于提升高温功率处理能力。尽管 β-Ga₂O₃ 热导率较低，所提出的器件级电热优化版图在热限制与电学性能间提供了实用平衡，为热敏感型 β-Ga₂O₃ 器件提供了有效设计指导。未来工作将把该框架扩展到大尺寸 β-Ga₂O₃ 功率器件设计中。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant No. 62204187）资助。

图 1. (a) SFMOSFET 结构示意图与倾斜 Fin 区域放大图；(b) 最优边界位置（d_D = 3 μm，d_F = 3.5 μm）的 2 笼条、3 笼条、4 笼条 C-SFMOSFET 拓扑结构；(c) 电热器件模型所用热学参数。

图 2. (a) SFMOSFET、初始 2 笼条、最差 2 笼条、最优 2 笼条与所提 4 笼条 C-SFMOSFET 的俯视版图及切割线 A–A′（位于 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 沟道界面下 1 nm）；(b) 不同笼条位置下 2 笼条 C-SFMOSFET 沿 A–A′ 的峰值电场提取；(c) V_GS = −15 V、V_DS = 1000 V 时各器件沿 A–A′ 的关态电场分布。

图 3. V_GS = −15 V、V_DS = 1000 V 时最优 2 笼条、最差 2 笼条、4 笼条 C-SFMOSFET 的全局模拟分布：(a–c) 静电势，(d–f) 关态电场，(g–i) 耗尽区。插图为栅边缘区域放大图，圆圈内加号示意电离施主，填充区域为耗尽区。

图 4. (a) 宽 2 笼条、所提 4 笼条、窄 8 笼条结构的俯视版图与切割线 A–A′；关态条件下沿 A–A′ 的电场分布：(b) V_GS = −15 V、V_DS = 1000 V，(c) V_GS = −15 V、V_DS = 2000 V；对应静电势分布：(d) V_GS = −15 V、V_DS = 1000 V，(e) V_GS = −15 V、V_DS = 2000 V。

图 5. (a) L_GD = 10 μm 时 SFMOSFET 与三种缩比笼条版图及切割线 A–A′；(b) V_GS = −15 V、V_DS = 1000 V 时沿 A–A′ 的关态电场分布；(c) 对应静电势分布。

图 6. V_GS = 10 V、P = 0.12 W/mm 时 (a) SFMOSFET 与 (b) 4 笼条 C-SFMOSFET 的温度分布，插图为热点区域放大；(c) SFMOSFET 与 (d) 4 笼条 C-SFMOSFET 的截面温度分布及切割线 A–A′；(e) SFMOSFET、2/3/4 笼条 C-SFMOSFET 沿 A–A′ 的温度曲线。

图 7. 相同功耗（P = 0.12 W/mm）下 (a) SFMOSFET 与 (b) 4 笼条 C‑SFMOSFET 的传热路径与正面散热面积示意图；(c) SFMOSFET 与 (d) 4 笼条 C‑SFMOSFET 的空气流速分布，虚线框为器件上方低风速区域边界。

图 8. 制备的 β-Ga₂O₃ (a) SFMOSFET 与 (b) 4 笼条 C-SFMOSFET 结构示意图；(c) β-Ga₂O₃ C-SFMOSFET 原型器件光学俯视照片，蓝色轮廓为有源区。

图 9. (a) 不同 V_GS（10 V 至 −10 V，步长 5 V）下直流测试的输出特性；(b) V_DS = 10 V 时的转移特性（V_TH 在 I_DS = 1 mA/mm 处提取）；(c) V_GS = −15 V 时的击穿特性；(d) V_GS = 10 V 时脉冲测试的输出特性；P = 0.55 W/mm 下 (e) SFMOSFET 和 (f) 4 笼条 C-SFMOSFET 的稳态热成像图。实线框标注与图 8c 中制备器件对应的有源区，虚线框指示栅区与有源区上方的 4 笼条结构。

DOI：

doi.org/10.3390/mi17050590