近日，電子科技大學(xué)功率集成技術(shù)實驗室羅小蓉團隊在氧化鎵器件的續(xù)流能力方提出一種具有低反向?qū)〒p耗的氧化鎵縱向FinFET，并以Low Reverse Conduction Loss β-Ga2O3 Vertical FinFET with an Integrated Fin Diode為題在線發(fā)表于IEEE Transactions on Electron Devices期刊。
氧化鎵（β-Ga2O3）由于其高禁帶寬度（4.5-4.9eV）和高臨界電場（8MV/cm），擁有比GaN和SiC器件更優(yōu)的BFOM值，有助于在相同額定電壓下降低傳導(dǎo)損耗。目前對氧化鎵場效應(yīng)管的研究大多集中在如何獲得高擊穿電壓(BV)和閾值電壓(Vth)以及低比導(dǎo)通電阻 (Ron,sp)上。根據(jù)最近的研究，在β-Ga2O3場效應(yīng)管中引入Fin通道，可以實現(xiàn)高BV和高Vth，但會導(dǎo)致反向?qū)妷?Von)變大并且損失反向?qū)ā?/p>
低反向?qū)〒p耗有助于釋放功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中感性負載引起的多余能量。使用反并聯(lián)續(xù)流二極管用于反向?qū)?，能降?i>Von，但會引入較大的寄生電感并導(dǎo)致額外的功率損耗和系統(tǒng)不穩(wěn)定。使用單片集成肖特基勢壘二極管(SBD)可以減少寄生參數(shù)，但溫度依賴性差。到目前為止，對β-Ga2O3功率晶體管反向?qū)?特性的改善研究較少。
本文介紹了一種具有集成鰭型二極管（FD）的低反向?qū)〒p耗氧化鎵縱向FinFET新結(jié)構(gòu)（RC-FinFET），并利用Sentaurus TCAD仿真對其電學(xué)特性進行了研究分析。如圖1(a)所示，RC-FinFET包括FinFET部分和FD部分，實現(xiàn)類MIS的導(dǎo)通和阻斷特性。首先，在零偏置下，由于金屬與β-Ga2O3的功函數(shù)差，MIS結(jié)構(gòu)的耗盡作用使Fin溝道被夾斷，實現(xiàn)常關(guān)的增強型器件；在正向?qū)ê妥钄酄顟B(tài)下，F(xiàn)D的Fin溝道被夾斷，幾乎不影響閾值電壓（Vth）和擊穿電壓（BV）。其次，由于Fin溝道的夾斷作用，可以采用歐姆接觸陽極替代肖特基接觸，形成無結(jié)二極管。因此，在反向續(xù)流時，無結(jié)的FD實現(xiàn)極低的反向?qū)妷海?i>Von）；隨反向偏置增加，沿Fin溝道側(cè)壁形成電子積累層，提高反向電流能力。相較于無集成二極管的常規(guī)FinFET（C-FinFET），RC-FinFET的FinFET部分和FD部分可以分別調(diào)控Vth和Von，從而同時實現(xiàn)高Vth和低Von。如圖1(b)所示，所提出的RC-FinFET具有極低的Von=0.45 V，相較于C-FinFET大大降低且不受柵壓影響。RC-FinFET同時具有高Vth =1.6 V，高BV=2545 V，Baliga優(yōu)值高達1.41 GW/cm2。此外，與外接續(xù)流二極管的傳統(tǒng)方法相比，RC-FinFET減少了寄生電感和總芯片面積，增強了其在高功率和低損耗功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
圖1. (a) RC-FinFET結(jié)構(gòu)示意圖；(b) RC-FinFET與C-FinFET的反向?qū)ㄐ阅軐Ρ取?/p>
文章的第一作者是電子科技大學(xué)博士生魏雨夕，通訊作者是電子科技大學(xué)羅小蓉教授和魏杰研究員。該項目由基礎(chǔ)加強計劃重點基礎(chǔ)研究項目支持。
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https://ieeexplore.ieee.org/document/10130497
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