【会员论文】西电郝跃院士、韩根全教授研究团队：基于 β-Ga₂O₃ 的用于先进存储器应用高稳定电子器件

        近期，由西安电子科技大学的研究团队在学术期刊 Advanced Science 发布了一篇名为 Highly Stable Electronics Based on β-Ga₂O₃ for Advanced Memory Applications（基于 β-Ga₂O₃ 的高稳定电子器件，用于先进存储器应用）的文章。

        致谢中国博士后科学基金（2023M742732）、中国博士后科学基金面上资助项目（编号：GZC20241303）、中央高校基本科研业务费专项资金（XJSJ24100）、国家自然科学基金（Grant No. 62404176、62025402、62090033、92364204、9226420、12175298、62293522）以及浙江省自然科学基金重大项目（Grant No. LDT23F04024F04）的支持。作者感谢 BL17B1、BL16U1、BL06B、BL19U2、BL02U2 和 BL01B1 光束线的工作人员以及 SSRF 用户实验辅助系统的帮助。作者感谢中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光材料重点实验室夏长泰教授团队提供 β-Ga₂O₃ 块状单晶。夏长泰教授感谢国家自然科学基金（No. 51972319）和上海市科学技术委员会（No. 19520744400）的支持。

        宽带隙（WBG）半导体处于推动电子技术创新的前沿，延续着摩尔定律并为电子器件开辟了新的发展途径。尽管 β-Ga₂O₃ 在先进电子器件中已引起广泛的研究兴趣，但其在恶劣环境下的高温和高速易失性记忆应用尚未得到充分关注。本文中，制造了一种高性能的六方氮化硼（h-BN）/β-Ga₂O₃ 异质结场效应晶体管（HJFET），展现出 ≈ 10 fA 的极低关断电流、≈ 10⁸ 的高开关电流比、5.6 Ω·mm 的低接触电阻和 156 cm² (Vs)⁻¹ 的出色场效应电子迁移率。特别地，当前的 h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 在 223 K 至 573 K 的超宽温度范围内表现出出色的热可靠性，同时在空气中的长期环境稳定性证明其能够在恶劣环境下正常工作。此外，h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 成功应用于加速器内存计算领域，包括动态随机存储器结构和神经网络计算。这些优异的特性使得基于 β-Ga₂O₃ 的电子器件在极端环境中的应用前景广阔，尤其适用于汽车、航空航天和传感器领域。

器件制备

        研究中采用了掺杂 0.05 mol% 钽的 β-Ga₂O₃ 块状单晶材料。通过霍尔效应和电阻率测试，其有效电子浓度为 1.4 × 10¹⁸ cm⁻³。随后，利用商用透明胶带从 β-Ga₂O₃ 块体材料上机械剥离出 β-Ga₂O₃ 薄片，并将其转移到 110 nm SiO₂/p⁺⁺-Si 衬底上。接着，采用电子束光刻（EBL）工艺对源/漏区进行图案化，随后进行显影、电子束蒸发和剥离工艺。选择 Ti/Al/Ni/Au（20/100/60/80 nm）的叠层金属作为源/漏电极。在高纯度氮气环境中，还进行了 470°C 下 1 分钟的快速热退火（RTA）工艺，以改善电极/沟道接触。在完成两终端 β-Ga₂O₃ 器件的制备后，通过 PDMS 辅助转移法将机械剥离的 h-BN 薄片精确转移到目标 β-Ga₂O₃ 沟道顶部作为栅极介电层。最后，通过第二次电子束光刻、金属化和剥离工艺定义顶部栅极，由 Ti/Au（10/70 nm）组成，从而完成 h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 的制备。

微观和电学特性表征

        通过基于同步辐射的掠入射 X 射线衍射（GIXRD）技术获得了 β-Ga₂O₃ 晶体的晶体结构，该技术使用波长为 0.6887 Å 的 X 射线。使用配备 532 nm 激发波长的商用拉曼光谱仪（Horiba Jobin Yvon LabRAM HR800）对拉曼光谱进行了研究。利用高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM，Talos F200X）对 β-Ga₂O₃ 薄片的结构进行了分析。通过原子力显微镜（Bruker Dimension Icon）测定了 h-BN 和 β-Ga₂O₃ 薄片的厚度。所有电学测量均使用半导体分析仪（Agilent B1500A）进行。

        成功制备出一种 h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结场效应晶体管（HJFET），其关态漏电流（I_off）低至约 10 fA，开态与关态电流比（I_on/I_off）高达约 10⁸，电阻（R_C）低至 5.6 Ω·mm，跨导（μ_fe）高达 156 cm² (Vs)⁻¹。重要的是，所获得的 h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 不仅在 223-573 K 的温度范围内表现出良好的热可靠性，而且即使在 18 个月后仍具有很高的环境稳定性。此外，h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 还能成功应用于包括动态随机存取存储器（DRAM）和神经网络计算在内的加速器-内存计算领域。这项工作为下一代纳米电子器件的发展提供了新的视角。

图 1. a) h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 的器件结构示意图。b) h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 的传输曲线（对数尺度和线性尺度）。c) h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 的输出曲线。d) 在不同 V_tg 值下，器件的欧姆接触特性。e) 不同通道长度下的 h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 欧姆接触特性。f) h-BN/β-Ga₂O₃ HJFET 的接触电阻。g) β-Ga₂O₃ 单晶的 GIXRD 光谱。h) h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结界面的 HR-TEM 跨层图像。i) h-BN/β-Ga₂O₃ 异质结的轨道解析能带结构。

DOI：

doi.org/10.1002/advs.202413846