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3-D Modeling for Electrical Optimization of Delta-Doped β -Ga 2 O 3 MOSFETs With Anisotropic Electrothermal Properties

材料科学 MOSFET 各向异性 电场 光电子学 热导率 功勋 击穿电压 电压 晶体管 电子迁移率 阈值电压 消散 热的 凝聚态物理 电阻率和电导率 兴奋剂 场效应晶体管 功率半导体器件 宽禁带半导体 频道(广播) 电流密度 电子工程 电气工程 功率密度 功率MOSFET
作者
Yinfei Xie,Yang He,Zhengyue Li,Yongze Xu,Weiye Liu,Huaixin Guo,Huarui Sun
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:72 (12): 6924-6932
标识
DOI:10.1109/ted.2025.3625537
摘要

The high critical electric field strength and ultra wide bandgap of $\beta $ -Ga2O3 make it promising for power electronics, but the low thermal conductivity necessitates extensive focus on thermal management. This study focuses on enhancing the electrical performance of $\beta $ -Ga2O3 metal–oxide–semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) with optimized heat dissipation using a 3-D electrothermal model. We take into account the anisotropic mobility and thermal conductivity, channel orientation, and delta-doping process for electrical optimization. Our results indicate that thermal conductivity anisotropy significantly impacts the electrical characteristics more than mobility anisotropy does. Simulations of MOSFETs with various channel orientations reveal that $\beta $ -Ga2O3 with a 45° (010)-oriented channel exhibits superior electrical performance due to the highest thermal conductivity. The investigation of delta-doping effects shows that higher charge density increases the breakdown voltage by broadening the depletion region, with an optimal value of $5\times 10^{{13}}$ cm ${}^{-2}$ . Excessive doping density, however, risks local breakdown. Positioning the delta-doping layer near the channel interface homogenizes the electric field and enhances the breakdown voltage, but excessive proximity can be harmful. Our optimized $\beta $ -Ga2O3 MOSFET design achieves a high off-state breakdown voltage ( $V$ ${}_{\text {br}} =2284$ V) and a high-power figure of merit (PFOM = 369.5 MV/cm2) at a low specific on-resistance ( $R$ ${}_{\textsc{on}, \text{sp}} =14.1$ m $\Omega ~\cdot $ cm2). This work highlights the necessity for synergistic design practices in $\beta $ -Ga2O3 MOSFETs, which integrates both electrical and thermal considerations.
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