【会员论文】南方科技大学于洪宇、汪青研究团队---基于电荷俘获层技术实现氧化镓增强型MOSFET及单片集成反相器

        由南方科技大学于洪宇教授、汪青教授研究团队在学术会议International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 Monolithic Integrated β-Ga₂O₃ Inverters Based on Charge Trapping Layer E-mode MOSFETs（ 基于电荷俘获层增强型 MOSFET 的单片集成 β-Ga₂O₃ 反相器）的文章 。

        本研究得到国家自然科学基金委员会（NSFC）、广东省基础与应用基础研究基金委和深圳市科技创新委员会的资助。

        β-Ga₂O₃ 由于其高击穿电场（8 MV/cm）和宽禁带度（4.8 eV），β-Ga₂O₃ 器件（如二极管和MOSFET）在高压功率开关领域具有巨大优势。为了最大限度地减少器件与外围电路之间的寄生电感，提高电路的稳定性和降低功耗，基于 β-Ga₂O₃的集成电路已被提出用于开发节能、高密度的集成电路和系统。然而，由于目前仍然缺乏有效的 p 型掺杂，β-Ga₂O₃ 的 CMOS 逻辑电路发展面临着巨大的阻碍和挑战。因此，基于n沟道的增强型/耗尽型（E/D-mode）器件的直接耦合场效应晶体管逻辑（DCFL）技术为实现 β-Ga₂O₃ 集成电路提供了另一种方案。此前已有研究在蓝宝石衬底上实现了 DCFL 反相器，但对 β-Ga₂O₃ 器件单片集的研究仍然较少。

        研究团队提出了基于 CTL 结构的增强型（E-mode）MOSFET 器件。通过对栅极施加不同的初始化电压可以实现对阈值电压（V_TH）的大范围调控，且避免了刻蚀工艺带来的沟道损伤。所制备的 E-mode 器件展现出高达 10.9 V 的 V_TH 调控能力。得益于 E-mode 器件 V_TH 可调的特性，所提出的 CTL 反相器可在供电电压（VDD）为 5 至 18 V 的条件下运行。此外，β值（(W_G/L_G)_E/(W_G/L_G)_D）为40 的反相器表现出极低的输出低电平（V_OL = 0.01 V），出色的输出摆幅比（17.99 V/18 V）以及优异的噪声容限比（NM_L/NM_H = 7.65 V/7.55 V@VDD = 18 V）。此外，还进行了动态测试，以评估不同 β 值器件在多种频率下的动态性能。这些结果为 β-Ga₂O₃ 集成电路的制造提供了一种可行的技术路径。

        本研究开发了一种基于电荷俘获层（CTL）技术的 β-Ga₂O₃ 单片集成反相器，实现了同质外延 β-Ga₂O₃ 单片集成器件。得益于增强型（E-mode）器件阈值电压的广泛可调性，CTL 反相器在不同供电电压（VDD，5–18 V）条件下均表现出优异的适配性能。通过调节器件尺寸比，实现了对下拉能力、输出摆幅以及噪声容限的显著提升。此外，对不同 β 值反相器在多种频率下的动态特性分析表明，合理匹配 E/D-mode 器件尺寸可有效减小寄生参数，从而降低功耗并支持更高频率的应用。这些研究成果为构建高性能 β-Ga₂O₃ 功率集成电路平台提供了有前景的技术路径。