南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授团队:集成续流二极管的Ga₂O₃横向 MOSFET演示:实现低损耗反向导通
- 2026-05-16 07:06:36
由南京邮电大学唐为华教授、郭宇锋教授的研究团队在学术期刊 IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES发布了一篇名为Demonstration of Ga₂O₃ Lateral MOSFET With Integrated Freewheeling Diode for Low-Loss Reverse Conduction（集成续流二极管的 Ga₂O₃ 横向 MOSFET 演示：实现低损耗反向导通）的文章。
01
背 景
超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）凭借约 4.8 eV 的宽禁带、约 8 MV/cm 的高临界电场与优异的品质因数，成为下一代高压功率电子的理想材料。但传统 Ga₂O₃横向 MOSFET 因无法实现有效 p 型掺杂、缺少体二极管，反向开启电压高、反向导通损耗大，严重限制实际应用。此前相关集成续流二极管的研究多停留在仿真阶段，实验验证极少。
02
主要内容
超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）凭借其宽禁带（约 4.8 eV）、高临界电场（约 8 MV/cm）和优异的品质因数，已成为下一代高压功率电子器件的理想平台。然而，传统的 Ga₂O₃ 横向金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管（MOSFET）缺少体二极管，导致反向开启电压高、反向导通损耗大，限制了实际应用。本文通过实验实现了一种集成续流二极管（IFD）的 Ga₂O₃ 横向 MOSFET。该结构可实现低压反向导通，且不影响正向性能和击穿特性。该集成续流二极管 MOSFET 的反向开启电压显著降低至 - 0.89 V，与传统器件相比降低了 90%~94%。正向转移和输出特性保持相当。在 20 μm 漂移区长度下，击穿电压达到 2.5 kV。这些结果证明了在 Ga₂O₃ MOSFET 中集成续流二极管的可行性，为低损耗、高压功率开关器件提供了实用途径。
03
研究亮点
· 首次实验实现集成续流二极管（IFD）的 Ga₂O₃ 横向 MOSFET，解决传统器件无体二极管的核心问题。
· 反向开启电压降至 - 0.89 V，较传统器件降低 90%~94%，大幅降低反向导通损耗。
· 集成二极管不劣化正向导通特性，阈值电压、开关性能与传统器件基本一致。
· 采用公共漂移区设计，实现 MOSFET 与二极管同步击穿，20 μm 漂移区击穿电压达 2.5 kV。
· 器件温度稳定性优异，栅漏电流显著降低，可靠性大幅提升。
04
总 结
本文通过实验展示了一种集成续流二极管（IFD）的 Ga₂O₃ 横向 MOSFET，解决了传统无结 Ga₂O₃ 器件固有的高反向导通电压问题。该集成续流二极管 MOSFET 的反向开启电压降低了 90%~94%。正向导通特性与传统 MOSFET 几乎保持一致，证实集成二极管不会降低沟道性能。击穿测试表明，公共漂移区设计成功确保了 MOSFET 和二极管的同步击穿，在 20 μm 漂移区长度下实现了 2.5 kV 的击穿电压。温度相关研究和基于 TCAD 的双脉冲仿真表明，集成续流二极管结构保持稳定的反向恢复行为，对温度的敏感性极低。总体而言，所提出的集成续流二极管结构为 Ga₂O₃ 横向 MOSFET 的低损耗反向导通提供了实用解决方案，为高压、高效率功率电子器件开辟了广阔前景。
05
项目支持
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：62304113、62204126、62334003、U23B2042）的资助。
图 1 Ga₂O₃ 集成续流二极管（IFD）MOSFET 的制备工艺流程，包括：(a) 台面隔离，(b) SiO₂ 刻蚀，(c) Ga₂O₃ 刻蚀，(d) 电极沉积，(e) 栅极沉积，(f) Al₂O₃ 刻蚀。(g) 所制备 Ga₂O₃ IFD MOSFET 的三维结构示意图。
图 2 (a) 常规 MOSFET 和 (b) IFD MOSFET 的反向导通特性。(c) 提取的Von,re随Vgs的变化关系（常规 MOSFET 和 IFD MOSFET）。(d) 提取的VRC、IRC和PRC随Vgs的变化对比。
图 3 (a) 传统 Ga₂O₃ MOSFET 与 (b) Ga₂O₃ IFD MOSFET 的温度相关反向导通特性。(c) 传统 Ga₂O₃ MOSFET 与 IFD MOSFET 的反向开启电压 Vₒₙ,ᵣₑ 随温度的变化曲线。(d) 表观肖特基势垒高度 (qϕB) 随 q/2kT 的变化关系，插图为提取的理查森常数。(e)、(f) 分别为传统 Ga₂O₃ MOSFET 与 IFD MOSFET 在不同温度下的栅漏电流。
图 4 (a) 传统 Ga₂O₃ MOSFET 与 (b) IFD MOSFET 的转移特性曲线及栅漏电流。(c) 传统 Ga₂O₃ MOSFET 与 (d) IFD MOSFET 的正向导通（输出）特性。
图 5 IFD MOSFET 在反向导通、关断及正向导通状态下的电流密度分布。
图 6 (a) 传统 MOSFET 与 (b) IFD MOSFET 在击穿电压下的三维电场分布。(c) 传统 MOSFET 与 (d) IFD MOSFET 在击穿电压下 Ga₂O₃ 层内的二维电场分布。(e) 传统 MOSFET 与 (f) IFD MOSFET 在不同漂移区长度下的击穿特性。
图 7 (a) IFD MOSFET 反向恢复测试的双脉冲电路示意图。(b) IFD MOSFET 在不同温度下的反向恢复波形。
DOI：
10.1109/TED.2026.3679310
文章源自IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，联盟编译整理。
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