新型复合终端结构横向 β -Ga2O3场效应晶体管电学特性仿真研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0007

人工晶体学报 ›› 2026, Vol. 55 ›› Issue (5): 772-781.DOI: 10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0007

新型复合终端结构横向 β -Ga₂O₃场效应晶体管电学特性仿真研究

李子唯¹^,²(), 余建刚¹^,²(), 刘晋花²^,³, 李腾腾¹^,², 杨晓利⁴, 雷程¹^,², 梁庭¹^,²

^1.中北大学半导体与物理学院，太原 030051
^2.中北大学宽禁带半导体超越照明材料与技术全国重点实验室，太原 030051
^3.太原师范学院物理系，晋中 030600
^4.重庆邮电大学数学与统计学院，重庆 400056

收稿日期:2026-01-13 出版日期:2026-05-20 发布日期:2026-06-09
通信作者: 余建刚，博士，副教授。E-mail：yujg@nuc.edu.cn
作者简介:李子唯（2000—），女，内蒙古自治区人，硕士研究生。E-mail：lzw14710@163.com
基金资助:
山西省重点研发计划(202302030201001);山西省科技重大专项“揭榜挂帅”项目(202301030201003);中国博士后科学基金(2024MD754039);仪器科学与动态测试教育部重点实验室开放基金资助(JYBSYSKFJJ319008)

Simulation Study on Electrical Characteristics of New Composite Terminal Structure Lateral β -Ga₂O₃ Field-Effect Transistors

LI Ziwei¹^,²(), YU Jiangang¹^,²(), LIU Jinhua²^,³, LI Tengteng¹^,², YANG Xiaoli⁴, LEI Cheng¹^,², LIANG Ting¹^,²

^1.School of Semiconductor and Physics，North University of China，Taiyuan 030051，China
^2.State Key Laboratory of Widegap Semiconductor Optoelectronic Materials and Technologies，North University of China，Taiyuan 030051，China
^3.Department of Physics，Taiyuan Normal University，Jinzhong 030600，China
^4.School of Mathematics and Statistics，Chongqing University of Posts and Telecommunications，Chongqing 400056，China

Received:2026-01-13 Online:2026-05-20 Published:2026-06-09

摘要/Abstract

摘要： 氧化镓（β-Ga₂O₃）功率器件因具有高耐压、低损耗及低成本的优势，已成为当前研究的热点，但受限其P型有效掺杂困难，基于β-Ga₂O₃的同质结器件研究受阻，而异质结终端器件仍存在导通电阻大、击穿电压低等电学特性不能满足实际应用需求的问题。针对以上问题，本文创新性提出了一种由NiO组成的场限环与浮空场板组成的复合终端增强型横向NiO/β-Ga₂O₃异质结场效应晶体管（HJFET）。通过TCAD软件重点研究了浮空场板长度及场限环长度、厚度对器件击穿特性的影响。结果表明：场限环与浮空场板组合可以有效缓解栅极边缘电场集中效应，同时高介电常数介质HfO₂可将异质结边缘电场调控至β-Ga₂O₃沟道内，最终器件实现了2 537 V的高击穿电压。对于具有浮空场板的器件获得了导通电阻为14.21 mΩ·cm²，击穿电压为2 358 V，PFOM达到391.285 MW·cm^-2的优异性能。本研究的设计为大功率高耐压β-Ga₂O₃功率器件的设计和优化提供了新的思路。

关键词: β-Ga₂O₃功率器件; 增强型异质结场效应晶体管; HfO₂; p-NiO; 场限环; 浮空场板; 边缘电场集中

Abstract: Gallium oxide （β-Ga₂O₃） power devices have emerged as a prominent research focus owing to their advantages of high voltage resistance， low loss， and low cost-effectiveness. However， the development of β-Ga₂O₃ based homojunction devices remains impeded by the persistent challenge of achieving reliable and controllable P-type doping. Meanwhile， the heterojunction termination devices still have problems that the electrical characteristics such as high on-resistance and low breakdown voltage， which fail to meet the requirements of practical applications. To address the aforementioned issues， this paper innovatively proposed a composite terminal enhanced lateral NiO/β-Ga₂O₃ heterojunction field effect transistor （HJFET） consisting of a field-limiting ring and a floating field plate made of NiO. The effects of the length of the floating field plate and the length and thickness of the field-limiting ring on the breakdown characteristics of the device were studied in detail using the TCAD software. The results show that the combination of the field-limiting ring and the floating field plate can effectively alleviate the edge electric field concentration effect at the gate， and the high dielectric constant dielectric HfO₂ can regulate the edge electric field of the heterojunction to be within the channel of β-Ga₂O₃. Eventually， the device achieves a high breakdown voltage of 2 537 V. For the device with the floating field plate， a low on-resistance of 14.21 mΩ·cm²， a breakdown voltage of 2 358 V， and a PFOM of 391.285 MW·cm^-2 are obtained. The design of this study provides a new idea for the design and optimization of high-power and high-voltage gallium oxide power devices.

Key words: β-Ga₂O₃ power device; enhanced HJFET; HfO₂; p-NiO; field-limiting ring; floating field plate; edge electric field concentration

中图分类号:

O738

李子唯, 余建刚, 刘晋花, 李腾腾, 杨晓利, 雷程, 梁庭. 新型复合终端结构横向 β -Ga₂O₃场效应晶体管电学特性仿真研究[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(5): 772-781.

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图/表 12

表1 β -Ga2O3仿真材料参数

Table 1 Simulation material parameters of β -Ga2O3

Parameter	β-Ga₂O₃
Band gap，E_g/eV	4.8
Electron mobility，μ/（cm²·V^-1·s^-1）	300
Dielectric constant，κ_s	10.2
Electron affinity，χ/eV	4.0
Valence band state density，N_v/cm^-3	3.72×10¹⁸
Conduction band state density，N_C/cm^-3	3.72×10¹⁸
Effective electronic mass，m₀	0.28
Breakdown field strength，E_c/（MV·cm^-1）	8

表2 NiO仿真材料参数

Table 2 Simulation material parameters of NiO

Parameter	NiO
Band gap，E_g/eV	3.7
Hole mobility，μ/（cm²·V^-1·s^-1）	0.24
Dielectric constant，κ_s	11.8
Electron affinity，χ/eV	1.8
Effective electronic mass，m₀	6
Breakdown field strength，E_c/（MV·cm^-1）	4.8~6.2

表3 β -Ga2O3雪崩电离拟合参数

Table 3 Avalanche ionization fitting parameters of β -Ga2O3

Parameter	Value
a/cm^-1	7.06×10⁵
b/（V·cm^-1）	2.1×10⁷
c	0
d	0
$ℏ$ ω_op/eV	0.063

表3 β -Ga2O3雪崩电离拟合参数

Table 3 Avalanche ionization fitting parameters of β -Ga2O3

Parameter	Value
a/cm^-1	7.06×10⁵
b/（V·cm^-1）	2.1×10⁷
c	0
d	0
$ℏ$ ω_op/eV	0.063

图1 基于HfO2氧化层的横向β-Ga2O3 HJFET横截面示意图

Fig.1 Cross-section schematic diagram of a lateralβ-Ga2O3 HJFET with HfO2 oxide layer

图2 基于HfO2氧化层的横向β-Ga2O3 HJFET电流（I）-电压（V）特性

Fig.2 Current （I）-voltage （V） characteristics of a lateralβ-Ga2O3 HJFET with HfO2 oxide layer

图3 不同器件击穿特性对比

Fig.3 Comparison of breakdown characteristics of different devices

图4 具有浮空场板的横向β-Ga2O3 HJFET横截面示意图

Fig.4 Cross-section schematic diagram of a lateralβ-Ga2O3 HJFET with floating field plate

图5 浮空场板与栅极之间距离对器件击穿特性影响

Fig.5 Effects ofLGF on device breakdown characteristics

图6 TFP、LFP对器件击穿特性影响。（a）不同TFP器件击穿特性曲线；（b）不同LFP器件击穿特性曲线；（c）不同LFP器件电场峰值沿P3、P4处切线分布图；（d）不同LFP器件电场分布图

Fig.6 Effects ofTFP andLFP on device breakdown characteristics. （a） Breakdown characteristic curves of differentTFP devices；（b） breakdown characteristic curves of differentLFP devices；（c） tangential distribution of electric field peak at P3 and P4 of differentLFP devices；（d） electric field distribution of differentLFP devices

图7 集成浮空场板与场限环复合终端的横向β-Ga2O3 HJFET横截面示意图

Fig.7 Cross-section schematic diagram of a lateralβ-Ga2O3 HJFET with integrated floating field plate and field-limiting ring composite terminal

图8 不同器件I-V特性对比

Fig.8 Comparison ofI-V characteristics of different devices

图9 LFLR及TFLR对器件击穿特性影响。（a）不同LFLR器件击穿特性曲线；（b）不同TFLR器件击穿特性曲线；（c）不同LFP器件电场峰值沿P3、P4处切线分布图；（d）不同LFP器件PFOM对比

Fig.9 Effects ofLFLR and TFLR on device breakdown characteristics. （a） Breakdown characteristic curves of differentLFLR devices；（b） breakdown characteristic curves of differentTFLR devices；（c） tangential distribution of electric field peak at P3 and P4 of differentTFLR devices；（d） comparison of PFOM of differentLFP devices

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新型复合终端结构横向 β -Ga₂O₃场效应晶体管电学特性仿真研究

Simulation Study on Electrical Characteristics of New Composite Terminal Structure Lateral β -Ga₂O₃ Field-Effect Transistors

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