构建更好的Ga?O?晶体管
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以下文章来源于化合物半导体联盟
，作者化合物半导体杂志
化合物半导体联盟
《化合物半导体》（CSC）是全球最重要和最权威的杂志Compound Semiconductor的“姐妹”杂志，亦是中国唯一专注于化合物半导体产业的权威杂志，重点介绍国外先进技术和产业化经验，促进国内产业发展，为国内读者提供行业的专业知识。
在高导电材料中包裹调制掺杂的Ga2O3场效应晶体管解决了与热管理和载流子传输有关的问题
如果Ga2O3晶体管要发挥其在射频和电力电子方面的潜力，就必须解决与低的电子载流子迁移率和散热有关的问题。
美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)、俄亥俄州立大学(Ohio State University)、凯马科技公司(Kyma Technologies)、现代微系统公司(Modern Microsystems)和犹他大学(University of Utah)的工程师合作，为上述两个问题提供了有希望的解决方案。该团队正在用一种具有调制硅δ掺杂的场效应晶体管（一种被称为MODFET的晶体管）替代MOSFET，并结合高导热材料，以使器件能够运行更激烈而不会产生过热。使用最强大的散热结构，可使功率处理能力提高五倍。
该小组的工作包括实验研究和模拟仿真两个方面。它们包括使用热反射热成像来确定各种工作条件下MODFET的表面温度。为了验证这些结果，工程师们转向了纳米粒子辅助拉曼测温法。这两种检测栅极金属温升技术的结果具有很好的一致性。这些值在Synopsys Sentaurus和COMSOL Multiphysics软件生成的模拟中均得到了重复。
利用模拟仿真来考虑在栅极到源极间距为1μm，栅长为3μm的MODFET中栅极到漏极距离变化的影响（见图（a））。为了提高功率场效应晶体管（FETs）的击穿电压，设计人员倾向于采用栅-漏间距大于栅-源间距的结构形式。根据仿真模拟，通过将栅极到漏极的距离从3μm（用于热测量的设备中使用的距离）增加到20μm，峰值电场降低了一个数量级。换个角度讲，峰值温度的上升下降了近40％。
工程师们还借助模拟来考虑在调制掺杂场效晶体管（MODFET）下面插入高热导率衬底对功率处理的影响。对于一个具有10μm厚的Ga2O3缓冲层的调制掺杂场效晶体管（MODFET）(见图(b))，将该器件安装在4H-SiC晶片上会使最高温度上升减少46%。用热导率高约四倍的金刚石代替4H-SiC，实现了进一步的改善。然而，涨幅不大，最高温度仅下降了5%，这是因为10μm厚的Ga2O3缓冲层主导了该器件的散热速率。
为了评估当从4H-SiC切换到金刚石时缓冲层对器件发热的作用，研究小组还模拟了Ga2O3缓冲层厚度为100μm和1μm的调制掺杂场效晶体管（MODFET）。对于前者，钻石仅比4H-SiC提高1%，但对于后者，则提高了14%。然而，该研究小组很快指出，将Ga2O3缓冲层变薄至仅1μm的可行性尚未确定。
Ga2O3 MODFET的热管理(a)，可以通过插入高热导率衬底来改善(b)，双面冷却设计甚至可能会产生更好的效果(c)
这些趋势的实验验证来自红外热像仪的测量，并且也得到了有限元热模型的支持。工程师证明，在具有10μm厚度的Ga2O3缓冲层的MODFET中增加500μm厚度的4H-SiC晶圆可将峰值温度降低66％。
双面冷却设计可进一步降低峰值温度。采用这种架构，最好的结果来自以下几个方面的组合：在FET上沉积纳米晶金刚石；使用金凸块，而不是铟制成的凸块；并将晶体管安装在多晶金刚石上。
模拟仿真表明，对于工作在沟道温度为200°C下的MODFET，从传统的同质外延设计过渡到最佳的双面设计可使功率密度从1.7 W/mm提高到9.5 W/mm。
参考文献
B. Chatterjee et al. Appl. Phys. Lett 117 153501 (2020)
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