【国际论文】用于电力电子领域中最先进的β-Ga₂O₃场效应晶体管

        近日，在美国化学会出版物(ACS Publications)上由台湾阳明交通大学发表了一篇名为《State-of-the-Art β-Ga₂O₃ Field-Effect Transistors for Power Electronics》的论文。文章中对β-Ga₂O₃的材料特性、晶体生长和沉积方法进行了全面的回顾。重点介绍了最先进的基于β-Ga₂O₃的耗尽模式、增强模式和纳米膜场效应晶体管（FET），用于大功率开关和高频放大应用。同时，讨论和比较应对β-Ga₂O₃的两个主要问题的器件等级方法，即缺乏p型掺杂和相对较低的热导率。

        氧化镓作为一种氧化物半导体，已经有几十年的历史。近几年来，由于晶体生长和外延技术的巨大进步，在如AlGaN、金刚石和立方氮化硼等第四代超宽禁带半导体中，β-Ga₂O₃格外引人注目。与成熟的SiC和GaN技术相比，β-Ga₂O₃具有更大的能量带隙（4.9 eV），表现出更高的击穿电场（8 MV cm^-1）和更好的巴利加优值（BFOM）（表1），这表明在基于β-Ga₂O₃的功率器件中产生的功率损失要小得多。2012年展示了第一个基于β-Ga₂O₃同质外延层的单晶场效应晶体管（FETs）。

氧化镓的晶体生长

        FZ法的起始材料是5N级的β-Ga₂O₃粉末，通过冷等静压工艺（50~300MPa）将其压成棒状。在晶体生长过程中，烧结的棒被放置在上轴上，与放置在下轴上的β-Ga₂O₃子晶体以相反的方向缓慢旋转。四个高功率（1.5kW）的卤素灯和相应的椭圆镜用作加热系统。在干燥空气或合成空气（21 vol % O₂ + 79 vol % N₂）流动下，生长速度为1-20 mm h^-1。晶体生长过程在图2（A）中说明。FZ方法的主要问题是液态熔体的崩溃，它几乎不受表面张力的影响，以及由于高热梯度而在生长的晶体中形成裂缝。

图2. 分别是（A）FZ方法、（B）CZ方法和（C）EFG方法的示意图。

        在2000年证实了使用CZ法和Ir坩埚来生长β-Ga₂O₃单晶的可行性，自2010年以来，已经取得了很大程度的改良。起始材料，5N级的β-Ga₂O₃粉末，首先被放入Ir坩埚，由周围的射频（RF）感应器加热，形成β-Ga₂O₃熔体。一个种子晶体被引入到熔体中，然后在旋转（5~10 rpm）的过程中慢慢拉起（1~2 mm h^–1）。晶体生长过程在图2（B）中说明。使用这种方法可以获得直径达50mm的柱形β-Ga₂O₃晶体。

        EFG法的特点是生长速度快，通过使用模具精确控制晶体的大小和形状，自2008年以来一直被应用于β-Ga₂O₃的生长。与FZ和CZ法类似，EFG方法的起始材料是5N级的β-Ga₂O₃粉末，它被放置在一个Ir坩埚中，中间有一个Ir模具。坩埚的加热是通过使用一个射频感应线圈进行的。一旦达到熔点，β-Ga₂O₃熔体在毛细力的作用下通过Ir模具的缝隙向上移动，β-Ga₂O₃籽晶被放置在模具顶部与熔体接触，启动晶体生长过程，如图2（C）所示。

耗尽模式β-Ga₂O₃场效应晶体管

        鉴于在β-Ga₂O₃中进行p型掺杂的难度，最近的器件性能里程碑主要是由基于单晶β-Ga₂O₃基底上生长的外延层的耗尽模式FET实现的。对于功率开关应用来说，评估器件性能的基本参数是PFOM=V_br²/R_on,sp，其中V_br（V）是三端关断电压，R_on,sp（mΩ cm²）是按器件面积规格化的导通电阻。为了充分利用BFOM所预测的β-Ga₂O₃的潜力，许多器件已经被开发出来，以提高V_br，同时降低R_on,sp，如下图。

图3. 具有代表性的耗尽模式的β-Ga₂O₃ FET的截面图，包括(A)具有栅极连接场板的MOSFET，(B)具有源极连接场板的MOSFET，(C)具有sub-μm和凹陷栅极的MOSFET，(D)具有2DEG通道的异质结构FET。(E) 具有凹陷栅极的MOSFET，用于射频操作， (F) 具有自对准耐火栅极的双指MOSFET，用于射频操作，(G) 具有delta掺杂通道的MESFET，用于射频操作，和(H) 具有氧退火UID层的MOSFET，用于射频操作。

增强模式β-Ga₂O₃场效应晶体管

        为了减轻关断状态的功率损失并确保在高电压下安全运行，通常关断的增强模式晶体管比耗尽模式晶体管更可取，后者需要一个负的V_GS来保持关断状态。已经研究了几种方法，将阈值电压（V_TH）从负值转移到正值，如下图。

图4. 具有代表性的增强模式的β-Ga₂O₃ FET的截面图，包括(A)具有包覆栅极的FinFET，(B)具有狭窄UID通道的MOSFET，(C)具有氧退火通道和双源连接场板的MOSFET。(D) 具有凹陷栅极的MOSFET，(E) 具有8纳米薄沟道的底栅MOSFET，(F) 具有Fin沟道的MISFET，(G) 具有垂直电流孔的MOSFET，和(H) 具有N掺杂沟道的MOSFET。

β-Ga₂O₃纳米膜场效应晶体管

        尽管β-Ga₂O₃具有UWBG（4.9 eV）和高击穿电场（8 MV cm^-1），但与Si（150 W m^-1 K^-1）、SiC（270 W m^-1 K^-1）和GaN（210 W m^-1 K^-1）相比，它的一个明显缺点是热导率相对较低（[010]中为21 W m^-1 K^-1）。尽管β-Ga₂O₃不是像石墨烯那样的层状材料，但剥离的容易性可能是由于单斜结构和沿[100]方向比[010]和[001]方向更高的晶格参数。该集成方案有利于片上电源管理，并能形成异质结，这可能为新的（光）电子应用提供了可能性。特别是，与其他纳米材料，如石墨烯、MoS₂和Se₂所展示的低功率开关应用相比，β-Ga₂O₃纳米膜场效应晶体管旨在实现低尺寸的高功率开关。

图5. 具有各种代表性β-Ga₂O₃纳米膜场效应器的示意图，包括（A，B）底栅MOSFET，（C）底栅MOSFET和顶栅MESFET。（D）双门MESFET，（E）底门MESFET，（F）顶门JFET，（G）底门JFET，和（H）伏极底门JFET。对于每个β-Ga₂O₃纳米膜场效应晶体管，总结了评价器件性能的参数，包括阈值电压（V_TH）、最大漏极电流（I_d,max）、I_on/Ioff比率、亚阈值斜率（SS）、最大跨导（gm_max）和击穿电压（V_br）。