氧化鎵（Ga2O3）作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，其具有超寬的禁帶寬度（4.9 eV）和超高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)（8 MV/cm），被認(rèn)為是制備下一代大功率、高效率及低功耗電力電子系統(tǒng)極具希望的半導(dǎo)體材料。此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)β-Ga2O3還表現(xiàn)出高達(dá)2×107 cm/s的電子飽和速度，其約翰遜優(yōu)值(2844)較SiC和GaN更高。因此，它在射頻器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，探索研究氧化鎵基射頻功率器件具有重要意義。
然而，在實(shí)際射頻應(yīng)用中，需要考慮控制電路和功耗問題。因此，迫切需要增強(qiáng)型器件來簡(jiǎn)化射頻拓?fù)潆娐?，降低靜態(tài)功耗。由于器件設(shè)計(jì)與工藝方面的不足，目前國際上報(bào)道的氧化鎵基增強(qiáng)型MOSFET的性能仍然很差。這些增強(qiáng)型器件在射頻性能方面仍存在諸多不足，最主要的限制因素為器件工藝對(duì)溝道電子濃度和溝道遷移率的負(fù)面影響。所以，改進(jìn)器件設(shè)計(jì)和制備工藝，有效提升溝道遷移率對(duì)增強(qiáng)型Ga2O3基射頻 MOSFET非常重要。
西安電子科技大學(xué)馬曉華教授研究組創(chuàng)新性地提出了一種準(zhǔn)二維高遷移率溝道增強(qiáng)型β-Ga2O3 MOSFET結(jié)構(gòu)。并引入低損傷刻蝕技術(shù)形成凹槽柵結(jié)構(gòu)，將重?fù)诫s溝道厚度縮小至幾個(gè)納米，減小了垂直方向上的電子散射，有效提高了溝道遷移率。同時(shí)使用重?fù)诫s材料作為溝道層，使得器件具有較小的導(dǎo)通電阻和較低的歐姆接觸電阻，從而展現(xiàn)出優(yōu)異的射頻性能。該研究成果以“Quasi 2D high mobility channel E-mode β-Ga2O3 MOSFET with Johnson FOM of 7.56 THz·V”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Applied Physics Letters》上。2021級(jí)博士研究生王羲琛為本文第一作者，馬曉華教授、陸小力教授、何云龍副教授為論文共同通訊作者。
圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖及掃描電鏡圖像
研究表明，器件的制備過程包括在柵下區(qū)域進(jìn)行低損傷刻蝕，刻蝕深度為295 nm。研究組采用分步刻蝕的方法，利用O2等離子體對(duì)器件的刻蝕損傷進(jìn)行修復(fù)，氧等離子體在電離過程中產(chǎn)生大量的氧離子，而Ga2O3材料中存在的氧空位可以通過這些氧離子得到補(bǔ)充。AFM圖像顯示刻蝕前后材料表面粗糙度變化量小于0.15 nm，表明了刻蝕過程中引入了較低的損傷，降低了電離雜質(zhì)散射的影響，從而保證了器件具有較高的遷移率。
圖2 器件輸出特性、轉(zhuǎn)移特性、熱穩(wěn)定性及擊穿特性
通過CV曲線計(jì)算得到器件場(chǎng)遷移率為147.5 cm2/(V·s)，優(yōu)異的器件遷移率使其具有良好的射頻特性，器件峰值跨導(dǎo)高達(dá)54.2 m S/mm。優(yōu)異的遷移率是跨導(dǎo)較高的原因之一，這也與器件的轉(zhuǎn)移特性相吻合。
圖3 器件CV曲線及器件遷移率隨載流子濃度變化規(guī)律
此外，從仿真結(jié)果中也顯示出不同溝道厚度器件的遷移率和射頻特性。溝道厚度較小的器件性能較好，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，為實(shí)驗(yàn)提供了理論支持。尤其當(dāng)柵下區(qū)域的溝道厚度減小到納米量級(jí)時(shí)，垂直方向上的電子散射在一定程度上可以忽略，從而實(shí)現(xiàn)了類似于2DEG的準(zhǔn)二維溝道，有效提高了器件的溝道遷移率，改善了器件的射頻特性。
圖4 遷移率仿真結(jié)果、器件小信號(hào)特性、去嵌結(jié)構(gòu)及約翰遜優(yōu)值圖
在器件的小信號(hào)特性方面，器件的fT和fMAX分別為18 GHz和42 GHz。約翰遜優(yōu)值 fT×VBK為7.56 THz·V，達(dá)到了國際已知的氧化鎵增強(qiáng)型MOSFET器件的最高值。這一結(jié)果為β-Ga2O3 基MOSFET在未來射頻功率電子器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
該研究得到國家寬禁帶半導(dǎo)體器件及集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目、中央高?；A(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)、輻射應(yīng)用國家創(chuàng)新中心的資助。
