【会员论文】ISPSD 2026丨中国科大龙世兵教授团队：通过MOCVD生长的侧壁再生沟道实现垂直β-Ga₂O₃ UMOSFET的导通性能增强

        由中国科学技术大学龙世兵教授、徐光伟教授、周选择副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的研究团队在会议 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD) 发布了一篇名为 Enhanced On-State Performance of Vertical β-Ga₂O₃ UMOSFETs via MOCVD-Grown Sidewall Regrown Channels（通过 MOCVD 生长的侧壁再生沟道实现垂直 β-Ga₂O₃ UMOSFET 的导通性能增强）的文章。

        电动汽车、可再生能源储能系统、数据中心供电模块的规模化落地，推动电力电子行业对低损耗、高耐压功率半导体器件的需求快速增长。β-Ga₂O₃ 属于超宽禁带半导体材料，本征禁带宽度约 4.8 eV，临界击穿电场高于 8 MV/cm，巴利加优值达到 3444，远优于硅、碳化硅、氮化镓等商用功率半导体，能够在高压工况下大幅降低导通损耗；同时边缘限定膜供料生长（EFG）熔体生长工艺可低成本制备大尺寸、高结晶质量的 β-Ga₂O₃ 单晶衬底，为大功率器件产业化提供材料支撑。

        垂直型器件架构是实现 β-Ga₂O₃ 功率芯片高功率密度、高转换效率的优选方案，仅需增厚漂移层即可提升击穿电压，无需扩大芯片面积。但 β-Ga₂O₃ 难以实现稳定、可重复的 p 型掺杂，无法制备传统 pn 结垂直功率器件，因此行业重点研发鳍型场效应管、电流阻挡层（CBL）垂直 MOSFET 等静电调控型器件。其中基于氮离子注入制备电流阻挡层的垂直 U 型沟槽栅 MOSFET（UMOSFET）结构工艺简单、集成扩展性好，受到广泛关注，该器件可实现增强型工作模式与千伏级击穿电压。

        但现有 CBL 基 β-Ga₂O₃ UMOSFET 存在致命短板：沟槽刻蚀会在侧壁引入大量晶格损伤，离子注入工艺同步产生深能级陷阱缺陷，二者共同劣化沟道界面质量，造成载流子迁移率下降、界面陷阱密度升高、栅控能力减弱。湿法化学清洗、高温退火仅能小幅修复工艺损伤，改善效果存在上限。

        借鉴氮化镓沟槽 MOSFET 侧壁外延再生长的优化思路，将高质量非故意掺杂外延层选择性生长在沟槽侧壁，可把导电沟道从损伤刻蚀面转移至低缺陷外延层，大幅降低沟道电阻。但该侧壁再生长方案在 β-Ga₂O₃ UMOSFET 领域鲜有研究，本文采用 MOCVD 工艺在沟槽侧壁制备非故意掺杂 β-Ga₂O₃ 再生长层，系统探究其对器件导通特性的提升效果。

        本文制备了带有侧壁再生长沟道层的垂直型 β-Ga₂O₃ U 型沟槽栅 MOSFET（UMOSFET），用以解决基于电流阻挡层（CBL）器件因沟槽刻蚀侧壁损伤、深能级陷阱效应带来的导通性能受限问题。研究采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）工艺，在沟槽侧壁选择性生长一层均匀覆盖的非故意掺杂（UID）β-Ga₂O₃ 再生长层。电学测试与开尔文探针力显微镜（KPFM）表征结果证实，该再生长层可形成高载流子密度导电通路，将导电沟道从缺陷密集的刻蚀表面转移至外延层，显著提升沟道导电能力。测试结果表明，30 nm、50 nm 再生长层器件的最大漏极电流密度分别达到 359 A/cm²、901 A/cm²；器件比导通电阻由参考器件的 543.5 mΩ・cm² 分别降至 11.8 mΩ・cm² 与 7.9 mΩ・cm²。其中 30 nm 再生长层器件的功率优值（PFOM）为 42.5 MW/cm²，相比无再生长层的参考器件高出一个数量级以上。受沟道耗尽能力减弱的影响，器件反向击穿电压会随再生长层厚度增加而下降，但实验结果充分证明，侧壁外延再生长是一种可大幅提升垂直 β-Ga₂O₃ UMOSFET 导通性能的可行技术方案。

        ①首次提出并验证 MOCVD 沟槽侧壁选择性外延再生长非故意掺杂 β-Ga₂O₃ 沟道层方案，解决传统 CBL 基 β-Ga₂O₃ UMOSFET 刻蚀侧壁损伤、深能级陷阱导致的导通性能受限难题；

        ②通过 KPFM 表征定量证实再生长层可大幅提升侧壁表面载流子浓度，将导电沟道从高缺陷刻蚀面转移至低缺陷外延层，构建低阻导电通路；

        ③制备 30 nm、50 nm 两种厚度侧壁再生长器件，实现导通电流密度大幅提升、比导通电阻数量级下降，30 nm 再生长器件功率优值较无再生长参考器件提升一个数量级以上；

        ④明确侧壁再生长层厚度与器件耐压存在权衡关系，为后续兼顾导通与耐压性能的器件优化提供实验依据；

        ⑤该侧壁再生长工艺具备规模化潜力，为高性能垂直 β-Ga₂O₃ 功率器件提供全新可行技术路线。

        综上，本文证实侧壁再生长策略能够有效提升基于电流阻挡层的垂直型 β-Ga₂O₃ UMOSFET 的导通性能。借助金属有机化学气相沉积（MOCVD）在沟槽侧壁制备均匀覆盖的非故意掺杂 β-Ga₂O₃ 再生长层后，导电沟道可脱离缺陷密集的刻蚀区域重新构建，器件通流能力大幅提升，导通电阻显著降低。实验同时发现器件导通性能与击穿电压之间存在权衡关系，但相关结果充分证明，侧壁再生长技术具备实用性与可规模化优势，能够解决垂直 β-Ga₂O₃ UMOSFET 导通性能不足的难题。后续可进一步优化再生长层厚度与材料质量，并搭配先进电场调控工艺，有望使该器件在高压电力电子应用中实现导通与耐压性能的均衡优化。

        本研究得到江苏省基础研究计划（项目编号 BK20253003）、苏州市重点核心技术攻关项目（项目编号 SYG2024003）资助；作者感谢中国科学院苏州纳米所纳米加工平台与真空互联纳米综合测试平台（NANO-X）提供的工艺测试支撑。

DOI: 

10.1109/ISPSD64561.2026.11553761