Performance Comparison of Vertical DMOSFETs in Ga2O3 and 4H-SiC

Gallium oxide ($Ga_2O_3$) and silicon carbide (SiC) are the material with the wide band gap ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV). These electronic properties allow high blocking voltage. In this work, we investigated the characteristic of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical depletion-mode metal-oxide-semiconductor field-effect transistors. We demonstrated that the blocking voltage and on-resistance of vertical DMOSFET is dependent with structure. The structure of $Ga_2O_3$ and 4H-SiC vertical DMOSFET was designed by using a 2-dimensional device simulation (ATLAS, Silvaco Inc.). As a result, 4H-SiC and $Ga_2O_3$ vertical DMOSFET have similar blocking voltage ($Ga_2O_3-1380V$, SiC-1420 V) and then when gate voltage is low, $Ga_2O_3-DMOSFET$ has lower on-resistance than 4H-SiC-DMOSFET, however, when gate voltage is high, 4H-SiC-DMOSFET has lower on-resistance than $Ga_2O_3-DMOSFET$. Therefore, we concluded that the material of power device should be considered by the gate voltage.

Ga2O3와 4H-SiC Vertical DMOSFET 성능 비교

산화갈륨 ($Ga_2O_3$)과 탄화규소 (SiC)는 넓은 밴드 갭 ($Ga_2O_3-4.8{\sim}4.9eV$, SiC-3.3 eV)과 높은 임계전압을 갖는 물질로서 높은 항복 전압을 허용한다. 수직 DMOSFET 수평구조에 비해 높은 항복전압 특성을 갖기 때문에 고전압 전력소자에 많이 적용되는 구조이다. 본 연구에서는 2차원 소자 시뮬레이션 (2D-Simulation)을 사용하여 $Ga_2O_3$와 4H-SiC 수직 DMOSFET의 구조를 설계하였으며, 항복전압과 저항이 갖는 trade-off에 관한 파라미터를 분석하여 최적화 설계하였다. 그 결과, 제안된 4H-SiC와 $Ga_2O_3$ 수직 DMOSFET구조는 각각 ~1380 V 및 ~1420 V의 항복 전압을 가지며, 낮은 게이트 전압에서의 $Ga_2O_3-DMOSFET$이 보다 낮은 온-저항을 갖고 있지만, 게이트 전압이 높으면 4H-SiC-DMOSFET가 보다 낮은 온-저항을 갖을 수 있음을 확인하였다. 따라서 적절한 구조와 gate 전압 rating에 따라 소자 구조 및 gate dielectric등에 대한 심화 연구가 요구될 것으로 판단된다.