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电动汽车驱动 ★ 4.0

横向β-Ga2O3 MOSFET器件的4 A/300 V开关特性

4 A/300 V Switching of Lateral β-Ga2O3 MOSFET Devices

作者 Kornelius Tetzner · Houssam Halhoul · Martin Damian Cuallo · Oliver Hilt
期刊 IEEE Electron Device Letters
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 β-Ga2O3 MOSFET 高压开关性能 脉冲测量 动态导通电阻 千瓦级开关操作
语言:

中文摘要

本研究报告了横向 $\beta$-Ga₂O₃ 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的高压开关性能,重点关注千瓦级工作条件下的动态行为。采用脉冲电流 - 电压(I - V)和瞬态开关测量对总栅极宽度为 92 毫米的大周长器件进行了表征。脉冲输出特性显示,漏极峰值电流达到 13 A,这是 $\beta$-Ga₂O₃ 晶体管有报道以来的最高值,同时导通电阻为 720 mΩ。通过晶圆上测量捕捉到了高压开关瞬态过程,器件承受的关态漏极电压最高可达 350 V。随着关态漏极电压从 10 V 增加到 350 V,测得的导通态漏极电流从 8.5 A 降至 2.5 A,这对应着动态导通电阻增大了四倍。这种性能退化归因于界面态或沟道内的电荷俘获,可能与铁掺杂或离子注入引起的缺陷有关。观察到的开关色散现象与低沟道迁移率相关,凸显了优化工艺技术和材料质量的重要性。尽管如此,在 4 A / 300 V 条件下对开关瞬态的表征展示了 $\beta$-Ga₂O₃ 功率晶体管首次实现千瓦级开关操作,彰显了其在下一代电力电子应用中的潜力。

English Abstract

This work reports on the high-voltage switching performance of lateral -Ga2O3 MOSFET devices, emphasizing dynamic behavior under kilowatt-class operating conditions. Large-periphery devices with a total gate width of 92 mm were characterized using pulsed I-V and transient switching measurements. Pulsed output characteristics revealed a peak drain current of 13 A – the highest reported for a -Ga2O3 transistor—alongside an on-resistance of 720 m . High-voltage switching transients were captured using on-wafer measurements and the devices were subjected to off-state drain voltages up to 350 V. The measured on-state drain current degraded from 8.5 A to 2.5 A as the off-state drain voltage increased from 10 V to 350 V, corresponding to a fourfold increase of the dynamic on-state resistance. This degradation is attributed to charge trapping at interface states or within the channel, possibly related to Fe-doping or implantation-induced defects. The observed switching dispersion correlates with low channel mobility and underscores the importance of optimizing the process technology as well as material quality. Nevertheless, the characterization of switching transients at 4 A / 300 V demonstrates the first kilowatt-class switching operation in -Ga2O3 power transistors, underscoring their potential for next-generation power electronics applications.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项β-Ga2O3 MOSFET器件的研究代表了功率半导体领域的重要技术突破。该器件实现了4A/300V的千瓦级开关操作,峰值漏极电流达到13A,这对我们的光伏逆变器和储能变流器产品具有潜在应用价值。

从技术性能分析,β-Ga2O3材料的超宽禁带特性(约4.8eV)使其理论击穿电场强度达到8MV/cm,远超SiC和GaN,这与我们追求更高功率密度和效率的产品路线高度契合。在光伏逆变器的DC-DC升压环节和储能系统的双向变流器中,采用此类器件有望显著降低导通损耗,提升系统效率。720mΩ的导通电阻虽然在大电流应用中仍有优化空间,但对于中等功率等级的模块化设计已具备实用价值。

然而,该技术也暴露出明显的成熟度挑战。动态导通电阻随关断电压升高而增加四倍的现象,表明界面态陷阱和材料缺陷问题尚未完全解决。这种动态特性退化会直接影响逆变器在实际工况下的效率表现和可靠性。此外,研究归因于Fe掺杂和离子注入缺陷的问题,说明工艺技术仍需深度优化。

对阳光电源而言,建议持续跟踪β-Ga2O3技术发展,并在以下方向进行前瞻性布局:一是关注材料质量和工艺改进的进展,二是评估其在1500V光伏系统和高压储能应用中的适配性,三是考虑在未来3-5年技术成熟后的产品导入可行性。当前阶段,该技术更适合作为中长期技术储备,而非短期产品化方案。