摘要：台湾国立中山大学宣布首次成功演示由ε多晶型层和α多晶型层构成的氧化镓（Ga2O3）异质结场效应晶体管（HFETs），两层之间通过掺锡（Sn）过渡层连接 [Han-Yin Liu et al, IEEE Electron Device Letters publi

台湾国立中山大学宣布首次成功演示由ε多晶型层和α多晶型层构成的氧化镓（Ga2O3）异质结场效应晶体管（HFETs），两层之间通过掺锡（Sn）过渡层连接 [Han-Yin Liu et al, IEEE Electron Device Letters published online 27 June 2025]。相较于仅由α多晶型材料构成的类似同质结构金属-半导体场效应晶体管（MESFET）（击穿电压为1239V，比导通电阻为260mΩ-cm2），该异质结构将关断态击穿电压（VBD）提升至1725V，同时将比导通电阻（Ron,sp）降至49.2mΩ-cm2。

Ga2O3正作为潜在的下一代功率电子材料受到广泛研究，因为相较于氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等宽禁带半导体，Ga2O3具有超宽带隙以及相应的更高的预期临界击穿场强。其他潜在应用包括深紫外（DUV）光电子学和射频（RF）电子学。

当前大部分研究基于稳定的β多晶型。α相和ε相为亚稳定态。研究团队指出，在各种亚稳定态多晶型中，“ε-Ga2O3是第二稳定的结构，展现出具有显著自发极化特性的铁电特性，超越了III族氮化物，且在异质结中无需调制掺杂即可形成高密度二维电子气（2DEG）”。

研究人员采用雾化化学气相沉积法（mist-CVD），将Ga2O3多晶型HFET各层沉积于1cm×1cm的c面蓝宝石衬底上（图1）。镓前驱体由溶解于去离子水溶液的乙酰丙酮镓构成。掺锡前驱体为五水四氯化锡。首先在450°C下生长150nm α多晶型层，然后生长掺锡材料和ε多晶型材料。另在600°C下在r面蓝宝石衬底上生长全α多晶型结构，由此制备了参照器件。

图1：（a）ε-/α-Ga2O3 HFET结构及对应能带图。（b）透射电子显微镜（TEM）截面图像。

研究团队评论道：“该HFET中的掺锡层具有双重功能：（1）提供高电子浓度以降低沟道层的电阻率；（2）作为相变层促进ε-Ga2O3的形成。”

采用热蒸发法沉积HFET的金属电极：源极和漏极采用钛/金（Ti/Au），5μm长的肖特基势垒栅极采用镍/金（Ni/Au）。栅极宽度为754μm。源极与漏极的间距为20μm，栅极设置于距漏极10μm处。

掺锡的影响预计为掺锡层中导带最低点造成的电子（即负电荷）载流子积累。研究人员补充了一个提醒：“需要进一步的实验验证来确认异质界面处的详细能带对齐。”

各层的晶体结构均通过X射线衍射分析确认。生长在c面蓝宝石上的Ga2O3呈现出ε/α成分，而生长在r面衬底上的材料全为α成分。对各峰宽度进行研究，结果表明，生长在c面蓝宝石上的材料结晶度更高。主要原因是，相对于r面蓝宝石，c面蓝宝石与底层α层的晶格匹配更好。研究人员指出，ε层具有更窄的X射线峰，表明其结晶度甚至高于α-Ga2O3。

结晶度更高的ε/α结构的影响在霍尔效应测量中得到体现：载流子浓度为2.91×1018/cm3，迁移率为19.1 cm2/V-s，而全α材料则分别为6.5×1017/cm3和51.4 cm2/V-s。

研究团队评论道：“更高的结晶度、更少的陷阱中心以及导带偏移势垒，使ε-Ga2O3/α-Ga2O3在相同掺锡浓度下展现出高于α-Ga2O3的电子密度。”

线性传输线模型（TLM）测量结果还显示，ε/α HFET的钛/金接触电阻和沟道方块电阻（Rsh）更低：方块电阻为4517Ω/□，接触电阻为11.63Ω-mm，比接触电阻率为2.66x10-4Ω-cm2，而MESFET材料则分别为7428Ω/□、46.35Ω-mm、4.62x10-3Ω-cm2。

二次离子质谱（SIMS）分析显示，全α材料中的掺锡层厚度为26.12nm，相比之下，ε/α结构中的掺锡层更薄，厚度为13.24nm。

研究人员指出：“通常，更宽的锡分布范围允许更多Sn4+离子扩散进入Ga2O3外延层，将更多Ga3+离子替换为Sn4+。这种替换有效降低了电阻率。然而，与预期相反，在线性传输线模型测量和霍尔效应测量中，ε-Ga2O3/α-Ga2O3表现出比α-Ga2O3更低的方块电阻和更高的电子密度。先前研究预测，ε-Ga2O3/α-Ga2O3异质结中会诱导产生极化电荷。因此推测，这些诱导的极化电荷会提升电子密度，从而降低方块电阻。”

HFET在几乎所有常规晶体管特性方面均表现出优异得多的性能（表1）。更大的负阈值电压（Vt）可能被视为功率系统中常需要的常关性能的缺点。这种阈值行为是ε-Ga2O3/α-Ga2O3 HFET结构中沟道载流子浓度更高的自然结果。

表1：导通/关断电流比（ION/IOFF）、阈值电压（Vt）、最大跨导（gm,max）、−10V栅极电势下的栅极漏电流（IG）、2V栅极-源极电压（VGS）与30V漏极-源极电压（VDS）下的最大漏极电流（ID）（300K和450K）、比导通电阻（300K/450K下的Ron,sp）、关断态（-18V栅极电势）击穿电压（VBD）以及功率优值（PFoM）。

关断态漏电流由通过栅极的电流主导。研究团队指出，这可能是因为“关断态下电子通过表面陷阱跃迁形成的表面漏电流路径”，并补充道：“α-Ga2O3与r面蓝宝石衬底之间的晶格失配更大，导致表面陷阱密度增大，进而提升表面漏电流和栅极漏电流。”

该HFET在室温（300K）与450K之间的性能衰减幅度较小。研究人员写道：“ε-Ga2O3/α-Ga2O3 HFET的热稳定性更好，是因为异质界面处的导带偏移，这一偏移充当势垒将电子限制在沟道区内，即使在450K时亦然。”

图2：α-Ga2O3 MESFET和带有掺锡沟道层的ε-Ga2O3/α-Ga2O3 HFET的（a）关断态击穿电压，以及（b）在漏极应力测试中的漏极电流（ID）变化。

较高的关断态击穿电压（图2）和较低的导通电阻导致功率优值（VBD2/Ron,sp）高达60.48 MW/cm2。研究人员评论道：“ε-Ga2O3/α-Ga2O3异质结构中锡的分布范围较小，表明电子被严格限制在局部区域，可有效抑制漏电流并进一步提升击穿电压。”

在0V栅极-源极电压（VGS）、20V漏极-源极电压（VDS）条件下进行了漏极偏压应力测试。在3600秒（即1小时）的测试过程中，HFET的漏极电流衰减了45.6%，而同质结构MESFET的漏极电流衰减了66.2%。研究团队评论道：“ε-Ga2O3/α-Ga2O3 HFET中漏极电流变化相对稳定，表明其俘获效应相较于α-Ga2O3 MESFET更为微弱。”

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来源：宽禁带联盟