KAUST李晓航研究团队研制出硅衬底上常关型 Ga₂O₃ 功率晶体管

摘要：新兴的超宽禁带（UWBG）半导体材料（带隙约 4.9 eV）β-氧化镓（β-Ga2O3）具有极高的临界击穿场强（~8 MV/cm-1）和优异的巴利加优值，使其在（高压）功率电子和射频器件领域展现出巨大潜力。尽管 β-Ga2O3 具有诸多优势，但其固有的低热导率

由阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 High breakdown voltage normally off Ga2O3 transistors on silicon substrates using GaN buffer（硅衬底上使用氮化镓缓冲层的高击穿电压常关型 Ga2O3 晶体管）的文章。

背景

新兴的超宽禁带（UWBG）半导体材料（带隙约 4.9 eV）β-氧化镓（β-Ga2O3）具有极高的临界击穿场强（~8 MV/cm-1）和优异的巴利加优值，使其在（高压）功率电子和射频器件领域展现出巨大潜力。尽管 β-Ga2O3 具有诸多优势，但其固有的低热导率和难以实现高效 p 型掺杂等问题限制了其广泛商业化应用。为了克服这些材料限制并实现大规模制造，将 Ga2O3 与具有良好特性的异质衬底集成成为一种重要策略，尤其有助于改善热管理。在异质衬底中，GaN-on-Si 因其可扩展性、成本效益以及 GaN 本身的优良热导率和宽禁带特性，为 Ga2O3 器件提供了一个有吸引力的平台，并为未来 Ga2O3 与 GaN 器件的单片集成电路（Power-ICs）奠定了基础。对于功率开关应用，增强型（E-mode，即常关型）MOSFETs 因其失效安全特性和低待机功耗而至关重要。

主要内容

在硅基氮化镓（GaN-on-Si）衬底上制造出了阈值电压（VTH）为 3 V 的常关型 β 相氧化镓（β-Ga2O3）金属氧化物场效应晶体管（MOSFET）。该器件在 VGS = 0 V 时的击穿电压高达 ∼540 V，栅极漏电流极低，仅为 ∼10−7 mA/mm。此外，它还表现出 ∼167 mV/dec 的低亚阈值摆幅（SS）和 ∼106 的电流导通/关断比。在硅基氮化镓衬底上生长和制造β-Ga2O3 MOSFET，对未来功率集成电路中的高性能及其与氮化镓器件的单片集成具有重要意义。

首次成功演示了在 GaN 缓冲层/硅衬底上制备的增强型 β-Ga2O3 MOSFET。

实现了在硅基（通过GaN缓冲层）β-Ga2O3 MOSFETs 中创纪录的高击穿电压（约 540 V）。

采用相对简单的 PLD 生长多晶 β-Ga2O3 沟道，并结合沟道厚度控制等方法，实现了 VTH 的常关操作，避免了复杂的凹槽栅或 p 型掺杂工艺。

突出展示了在低成本、可规模化的硅基 GaN 平台上单片集成 Ga2O3 高压功率器件与 GaN 基控制电路的潜力，为未来功率集成电路的发展提供了新思路。

总结

研究团队利用脉冲激光沉积（PLD）生长技术在硅衬底的 GaN 缓冲层上有效地展示了 E 模式 β-Ga2O3 MOSFET。该 MOSFET 的阈值电压为 3 V，在 VGS = 0 V 时具有约 540 V 的高击穿电压。器件还显示出 167 mV/dec 的低亚阈值摆幅，在晶体管正向偏置工作时，低栅极漏电流约为 10−7 mA/mm。这些结果凸显了β-Ga2O3 MOSFET 在高性能应用方面的巨大潜力，证明了在低成本、市场上可买到的硅基氮化镓衬底上以经济、可扩展的 PLD 方式生长 β-Ga2O3 薄膜，是在未来的功率和射频电子器件中集成氮化镓基器件的一条大有可为的途径。

图 1. 在硅基 GaN 上生长的 β-Ga2O3 薄膜：（a）外延信息示意图；（b）β-Ga2O3/GaN/Si 的 XRD 图；（c）β-Ga2O3 薄膜沉积前 GaN 表面的原子力显微镜图像（5 × 5 μm2）；（d）通过 PLD 沉积 β-Ga2O3 薄膜后的原子力显微镜图像（5 × 5 μm2）。