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基于4H-SiC衬底上异质外延ε-Ga₂O₃的高电流增强型MOSFET演示
Demonstration of High-Current E-Mode MOSFETs Using Heteroepitaxial ε-Ga₂O₃ on 4H-SiC Substrates
| 作者 | Shengheng Zhu · Linxuan Li · Tiecheng Luo · Weiqu Chen · Chenhong Huang · Xifu Chen |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 增强模式MOSFET ε - Ga2O3 4H - SiC衬底 氟等离子体表面掺杂 高电流密度 |
语言:
中文摘要
本文展示了在 4H - SiC 衬底上采用异质外延 ε - Ga₂O₃ 制备的高电流增强型（E 型）金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）。这些器件具有非故意掺杂（UID）沟道和超高导电性的引出区，引出区通过选择性区域氟等离子体表面掺杂工艺实现。在引出区，实现了超过 3×10¹⁴ cm⁻² 的高面载流子浓度（ns），且迁移率达到 47.1 cm²/V·s，显著降低了寄生电阻。所制备的沟道长度（LCH）为 2 μm 的 E 型 MOSFET 表现出 209 mA/mm 的高最大漏极电流密度（IDS, max）、2.7 V 的正阈值电压（Vth）、42 mS/mm 的大峰值跨导（Gm, max）以及超过 10⁷ 的高开/关电流比（Ion/Ioff）。这些优异的性能指标主要归因于引出区的低寄生电阻和 4H - SiC 衬底的高导热性，凸显了 4H - SiC 衬底上异质外延 ε - Ga₂O₃ MOSFET 在高功率和高频应用方面的巨大潜力。
English Abstract
High-current enhancement mode (E-mode) metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs) have been demonstrated using heteroepitaxial -Ga2O3 on 4H-SiC substrates. The devices featured an unintentionally-doped (UID) channel and ultra-highly conductive access regions, which were realized by a selective-area fluorine-plasma surface doping process. In the access regions, a high sheet carrier concentration ( n_ s ) exceeding 3 10 ^14 cm−2 combined with a mobility of 47.1 cm2/V s was achieved, significantly reducing the parasitic resistance. The fabricated E-mode MOSFET with a channel length ( L_ CH ) of 2~ m exhibited a high maximum drain current density ( I_ DS, max ) of 209 mA/mm, a positive threshold voltage ( V_ th ) of 2.7 V, a large peak transconductance ( G_ m, max ) of 42 mS/mm, and a high on/off current ratio ( I_ on / I_ off ) exceeding 10^7 . These competitive performance metrics are mainly attributed to the low parasitic resistance in the access regions and the high thermal conductivity of the 4H-SiC substrate, highlighting the great potential of heteroepitaxial -Ga2O3-on-4H-SiC MOSFETs for high-power and high-frequency applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于4H-SiC衬底的ε-Ga₂O₃异质外延MOSFET技术展现出显著的战略价值。该技术通过氟等离子体选区掺杂工艺，实现了超高导电性的接入区，有效降低了寄生电阻，使器件在2μm沟道长度下获得了209 mA/mm的高漏极电流密度和42 mS/mm的峰值跨导，这些参数对我司的核心产品具有重要意义。
在光伏逆变器和储能变流器领域，功率器件的性能直接决定系统效率和功率密度。该技术结合了Ga₂O₃的超宽禁带特性（约4.8 eV）与SiC衬底的高热导率优势，理论上可支持更高的工作电压和更优的散热性能。2.7V的正阈值电压确保了增强型工作模式，这对于提升系统安全性和简化驱动电路设计至关重要。超过10⁷的开关比和低寄生电阻特性，预示着在高频开关应用中可实现更低的导通损耗和开关损耗，这将直接提升逆变器的转换效率。
然而，该技术目前仍处于实验室验证阶段，距离产业化应用尚有距离。主要挑战包括：ε-Ga₂O₃材料的大规模制备工艺成熟度、异质外延界面的长期可靠性、以及与现有SiC和GaN功率器件相比的成本竞争力。对阳光电源而言，建议保持技术跟踪，适时开展联合研发或应用评估。若该技术在未来3-5年内实现成本可控的量产，将为我司下一代高功率密度、高效率的光储产品提供重要的器件选择，特别是在1500V及以上高压系统和高频化趋势下具有差异化竞争优势。