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【国际论文】APR丨 印度比拉皮拉尼理工学院团队：Ga₂O₃异质结二维电子气研究进展与HEMT器件未来发展展望
日期：2026-07-30阅读：80
由印度比拉皮拉尼理工学院、印度古瓦哈提理工学院的研究团队在学术期刊 Applied Physics Reviews 发布了一篇名为 Two-dimensional electron gas at Ga₂O₃ heterojunctions: Progress, challenges, and future prospects（Ga₂O₃ 异质结中的二维电子气：进展、挑战与未来展望）的文章。
背 景
当下功率半导体产业大力推进宽禁带半导体技术研发，核心目标是挖掘材料超高击穿电场等优异电学性能，氧化镓（Ga₂O₃）成为重点研究材料。Ga₂O₃ 属于多晶型超宽禁带半导体，禁带宽度 4.6–4.9 eV，具备极高击穿电场与较高电子饱和速率，各类功率、射频性能优值远超硅、SiC、GaN，是下一代大功率射频功率器件理想候选材料。目前学界已制备多款 Ga₂O₃ 基场效应晶体管（FET），但该材料固有短板限制器件性能：电子迁移率偏低、热导率差，同时难以实现 p 型掺杂，现有普通 FET 无法充分释放 Ga₂O₃ 材料潜力。高电子迁移晶体管（HEMT）依托异质结界面二维电子气（2DEG）作为导电沟道，能够隔绝掺杂杂质散射，大幅提升有效迁移率；极性异质结型 HEMT 还可获得极高面载流密度，提升通流能力、降低导通电阻，完美适配大功率射频场景。目前全球针对 Ga₂O₃ 异质结界面 2DEG 与对应 HEMT 的研究快速增长，但领域内缺少系统性综述，未统一梳理调制掺杂、极性异质结两类 2DEG 生成机理，也未完整对比铝镓氧化物合金、III 氮化物、晶相三类异质结的优劣、仿真与实验成果，同时各类器件产业化瓶颈缺少整合梳理，缺少清晰的后续研发路线，存在明显研究空白。
主要内容
近年来半导体电力电子行业重新掀起对宽禁带半导体的研究热潮，旨在挖掘其优异性能，尤其是超高击穿电场（EBR）特性。氧化镓（Ga₂O₃）作为多晶型材料，禁带宽度区间为 4.6–4.9 eV，是该领域核心研究材料之一。得益于超宽禁带，Ga₂O₃ 具备极高击穿电场，同时饱和电子漂移速率（vsat）较高，材料综合优值十分突出，非常适用于半导体功率器件。目前业界已制备出各类 Ga₂O₃ 基场效应晶体管（FET），器件性能优异，尤其适配大功率射频场景。但 Ga₂O₃ 仍存在明显短板：本征电子迁移率（μe）偏低、热导率（λ）较差，且难以实现 p 型掺杂。学界正持续攻关以解决上述缺陷，充分释放 Ga₂O₃ 功率器件潜力。在各类 Ga₂O₃ 基场效应器件中，高电子迁移晶体管（HEMT）综合性能最优，该器件以二维电子气（2DEG）作为导电沟道，可削弱掺杂杂质对沟道电子的散射作用，大幅提升有效迁移率（μeff）。除此之外，极性异质结型 HEMT 可获得高面载流子浓度（ns），提升器件导通电流（ID）、降低导通电阻（RON）。高有效迁移率与高面载流子浓度协同作用，让 HEMT 成为大功率射频领域高性能器件的优选方案。因此，如何在 Ga₂O₃ 异质界面构建二维电子气、制备对应 HEMT 成为当下热门研究方向。本文梳理 HEMT 器件基础工作原理，总结现有 Ga₂O₃ 基 HEMT 制备相关研究，探讨该技术未来发展路线与所需突破的关键技术，同时指出制约该领域发展的各类瓶颈。除梳理已有文献成果外，该团队还针对 Ga₂O₃ 异质结构开展仿真分析，进一步验证该类结构的应用潜力。期望本综述能够推动 Ga₂O₃ 功率电子、尤其是 Ga₂O₃ 基 HEMT 技术的后续研究与技术迭代。
创新点
①对三类可产生二维电子气的 Ga₂O₃ 异质结体系完成系统分类与横向对比：合金调制掺杂体系、多形体极性体系、III 氮化物极性体系。
②完整阐释各类 Ga₂O₃ 异质结构中带阶、自发极化、界面缺陷与二维电子气输运特性之间的定量耦合关系。
③搭建完整性能对标表，汇总所有已报道 Ga₂O₃ 高电子迁移晶体管的迁移率、面载浓度、击穿电压、射频优值指标。
④总结外延工艺瓶颈与器件可靠性难题，面向工业化 Ga₂O₃ 功率/射频 HEMT 提出针对性后续研究方案。
总 结
宽禁带半导体的出现无疑掀起了半导体电力电子领域的变革。SiC 与 GaN 是早期代表性宽禁带材料，而 Ga₂O₃ 凭借更优异的材料优值成为当下研究热点，过去十年间氧化镓电子器件领域取得大量进展，尤以场效应晶体管制备方向成果最为突出。Ga₂O₃ 基高电子迁移晶体管能够实现优于 MOSFET 等传统场效应管的器件特性与性能指标，其器件特性完全适配现代功率器件需求，尤其适用于大功率射频场景。本综述撰写的核心目的是向读者系统梳理已成熟与新兴两类 Ga₂O₃ 基 HEMT 技术。
文章首先介绍 Ga₂O₃ 基础材料特性，探讨可实现空穴导电 p 型掺杂的可行性，梳理传统 Ga₂O₃ 基 MOSFET 等场效应管制备进展，汇总各类 Ga₂O₃ 多形体成熟制备工艺；随后介绍调制掺杂、极性异质结两类 HEMT 器件基础工作原理，阐明 Ga₂O₃ 基 HEMT 的研发动因与固有优势，明确异质结势垒材料筛选标准，列举可用于器件的各类 Ga₂O₃ 基异质结构，并指出器件设计过程中需要考量的关键因素。文章重点研究应用最广泛的 (AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 势垒材料，解析 β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ 合金异质结材料特性，梳理文献中所有该体系 HEMT 并完成性能对标，同时利用 ATLAS TCAD 软件完成基础调制掺杂器件仿真；简要分析 (InₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 材料特性，评估其作为 β-Ga₂O₃ 势垒层的可行性，并探究极性 κ-Ga₂O₃ 合金化方案。其次分析 Ga₂O₃/III 族氮化物异质结，阐述基于该结构制备极性 HEMT 的可行性，分别讨论 β-Ga₂O₃/III 氮化物、κ-Ga₂O₃/III 氮化物两类异质结：前者制备难度更低，后者依托 κ-Ga₂O₃ 独特极化特性可获得更高面载流子浓度；梳理该类异质结制备与能带对齐相关研究，简述对应器件仿真成果，本文同步完成仿真验证，佐证该体系适用于 HEMT 制备。最后探讨 Ga₂O₃ 同相异质结，该方向研究尚浅，本文论证其在 HEMT 中的应用潜力并辅以仿真结果支撑观点。
尽管现阶段 Ga₂O₃ 基 HEMT 制备已取得长足发展，但该类器件全部性能潜力仍未充分释放，仍需集中开展更深层次的协同研究。本文认可该领域已发表的全部优秀研究成果，期望本综述能够为后续相关研究提供完整发展路线参考。
图 1 (a) 各类半导体材料优值雷达图；(b) β-Ga₂O₃ 材料优缺点示意图；(c) 2005–2025 年 Ga₂O₃ 相关研究年度论文数量统计图。
图 2 Ga₂O₃ 不同多晶型的晶体结构与基础参数示意图，同时展示各晶相间的转化关系；绿色球体代表 Ga 原子，红色球体代表 O 原子，Psp 为自发极化。
图 3 (a) 采用 PBE 泛函 DFT 计算得到 Ga₂O₃ 中各类取代掺杂剂的缺陷跃迁能级；(b) 采用 HSE 泛函 DFT 计算得到 Ga₂O₃ 中各类取代掺杂剂的缺陷跃迁能级；红线、绿线分别代表八面体、四面体 Ga 位对应的跃迁能级，底部蓝色条为价带，上方栗色条为导带，跃迁能级越靠近价带代表受主能级越浅；(c) 观测到表面二维空穴（2DHG）的 Si 掺杂 (010) 晶向 β-Ga₂O₃ 晶体截面结构图。
图 4 (a) Ga₂O₃ MESFET 器件截面图；(b) 对应直流 I-V 特性曲线；(c) Ga₂O₃ MOSFET 器件截面图；(d) 对应直流 I-V 特性曲线。
图 5 (a) 带有 Mg 掺杂电流阻挡层的 Ga₂O₃ CAVET 器件截面图；(b) Ga₂O₃ 垂直沟槽栅 MOSFET 截面图；(c) Ga₂O₃ 垂直沟槽栅 MOSFET 完整制备工艺流程：(1) HVPE 在 β-Ga₂O₃ 衬底外延生长薄膜；(2) 光刻与等离子刻蚀制备沟槽；(3) ALD 沉积 HfO₂ 栅介质；(4) 电子束蒸镀 Cu 栅金属；(5) 沉积 SiO₂ 并化学机械抛光去除台面多余材料；(6) 湿法刻蚀去除沟槽侧壁 Cu 与 SiO₂；(7) 射频溅射结合 CMP 制备 SiO₂ 隔离层；(8) 源漏金属电极沉积。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0325087
