【国际论文】美国空军研究实验室、康奈尔大学、KBR 公司：在(010)取向 2英寸衬底上高产率制备高性能 β-Ga₂O₃ MOSFET

        由美国空军研究实验室、康奈尔大学、KBR 公司的研究团队在学术期刊 APL Electronic Devices 发布了一篇名为High-yield fabrication of high-performance β-Ga₂O₃ MOSFETs on a (010) 2″ substrate（在(010)取向 2 衬底上高产率制备高性能 β-Ga₂O₃ MOSFET）的文章。

        β-Ga₂O₃是一种超宽禁带半导体，禁带宽度 4.8 eV，临界电场强度高，Baliga 优值显著优于 GaN 与 SiC，具备浅能级 n 型掺杂与大尺寸原生衬底两大优势，熔体生长技术成熟，已实现 6 英寸商用衬底。横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 在射频与功率开关领域潜力突出，但此前 2 英寸级制备多聚焦单器件性能，未系统评估大尺寸衬底下的整体性能与良率，且 (−201) 晶向衬底不兼容快速外延生长。本研究在 2 英寸 (010) 晶向衬底上开展器件制备，验证规模化量产可行性。

        研究团队在 2 英寸 (010) 晶向衬底上制备了横向 β-Ga₂O₃ MOSFET，器件外围宽度 100 μm~2 mm，整体良率 84.5%（剔除边缘芯片后超 95%）。源漏间距设为 1、2、5 μm，采用再生长欧姆接触与缩比 T 型栅。1 μm 器件导通电阻低至 24 Ω・mm，5 μm 器件击穿电压高达 863 V。1、2、5 μm 器件的平均截止频率 f_T 分别为 7±2、6±1、3.7±0.7 GHz，最高振荡频率 f_max 分别为 22±4、17±3、9±0.9 GHz。大信号工作下，2 mm 外围、2 μm 器件在 5 GHz 实现输出功率 467 mW（26.7 dB），为已报道氧化镓晶体管最高净射频功率。研究分析了器件整体性能，明确短沟道效应与栅泄漏等失效与性能退化机制，证明大尺寸衬底上高性能 β-Ga₂O₃ MOSFET 制备的可行性，并揭示量产技术壁垒。

        ● 首次在 2 英寸 (010) 晶向 β-Ga₂O₃ 衬底上实现高性能 MOSFET 高产率制备，整体良率 84.5%，剔除边缘芯片后超 95%。

        ● 5 μm 器件击穿电压达 863 V，功率优值比肩商用 SiC 器件；1 μm 器件导通电阻低至 24 Ω・mm。

        ● 实现氧化镓晶体管全球最高净射频功率：2 mm 外围器件在 5 GHz 输出 467 mW。

        ● 系统揭示栅泄漏、空气桥电镀失效、衬底 - 外延界面寄生 Si 沟道等量产限制因素。

        研究团队在 2 英寸 (010) 晶向晶圆上成功制备含再生长欧姆接触的 β-Ga₂O₃ MOSFET，实现高良率与优异性能指标。器件性能达到当前国际一流晶体管水平，最优器件的 Baliga 优值与已报道器件相当，且高于硅单极极限。研究从单器件与整体角度分析了器件性能，明确沟道调制不良、栅泄漏、电镀失效、衬底 - 外延界面寄生 Si 等失效机制，并提出可行改进方案。本成果展现了横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 当前量产水平，指明了氧化镓体系材料、工艺与器件持续优化的方向。

图 1 (a) MOSFET 器件的截面示意图。(b) 器件有源沟道的扫描电镜显微图；顶部插图：β-Ga₂O₃ 再生长之后、剥离之前的再生长掩模；底部插图：T 型栅的截面图。(c) 10×200 μm 空气桥器件的着色扫描电镜图。(d) 放置在射频测试台上的 2 英寸晶圆。

图 2 源漏间距为 1 μm（黑色）、2 μm（蓝色）、5 μm（红色）器件的独立测试结果：(a) 输出特性曲线族，(b) 转移曲线，(c) 关态击穿特性，(d) 正向电流增益 h₂₁，(e) 1 μm 源漏间距器件的负载牵引特性，(f) 2 μm 源漏间距器件的负载牵引特性。

图 3 (a)–(f) 器件性能特征的晶圆映射图，标注出未良品（红色）、电镀失效（黄色）、栅泄漏不良（橙色）及存在寄生 Si 沟道（蓝色）的器件：(a) 2×75 μm 器件的对数坐标转移曲线，(b) 2×75 μm 器件的输出特性曲线族，(c) 2×75 μm 器件的栅泄漏曲线，(d) 10×200 μm 器件的对数坐标转移曲线，(e) 10×200 μm 器件的输出特性曲线族，(f) 10×200 μm 器件的栅泄漏曲线。(g) 所有良品双指器件整体性能特征的箱线图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0323258