【会员论文】甬江实验室/宁波材料所研究团队联合哈工大，镓仁半导体团队：臭氧辅助半绝缘缓冲层实现3kV β-Ga₂O₃横向MOSFET高温关态漏电流抑制

        由中国科学院宁波材料技术与工程研究所、甬江实验室、哈尔滨工业大学、杭州镓仁半导体有限公司的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 “3 kV-Class β-Ga₂O₃ Lateral MOSFETs With Superior High-Temperature Leakage Suppression Enabled by an Ozone-Grown Semi-Insulating Buffer Layer”（采用臭氧辅助生长半绝缘缓冲层实现卓越高温关态漏电流抑制性能的 3 kV 级 β-Ga₂O₃ 横向 MOSFET）的文章。

        超宽禁带 β-Ga₂O₃ 材料禁带宽度达 4.8 eV，具备优异的巴利加优值，并且可获得熔体法制备的体单晶衬底，是下一代功率电子器件极具竞争力的候选材料，性能潜力超过 SiC、GaN。近些年 β-Ga₂O₃ 功率器件性能得到大幅提升，横向金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）凭借可靠性与击穿优势，受到广泛关注。

        但横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 器件的高温关态漏电问题仍是关键瓶颈。200 ℃ 高温条件下，横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 关态漏电流通常会升高至 10^-4 ~ 10^-3 mA/mm。常规横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 器件结构在 Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 半绝缘衬底上进行制备实现，室温下衬底中 Fe 受主能级可俘获自由载流子使其获得良好的半绝缘特性，但高温下，被俘获的载流子会发生热激活，致使器件在衬底中形成漏电通道，引起大的关态漏电。同时非故意掺杂缓冲层及其界面处的施主型陷阱，也会引入额外的横向漏电路径。现有方案尝试通过 Mg 掺杂缓冲层、Fe 离子注入层来抑制器件关态漏电，但是 Mg、Fe 掺杂剂在器件热处理工艺中容易发生扩散，造成界面质量退化，器件可靠性降低。针对该痛点，该团队采用臭氧辅助脉冲激光沉积（PLD，Pulsed Laser Deposition）制备本征半绝缘缓冲层，研究其对器件高温、高压电学性能的改善效果。

        超宽禁带 β-Ga₂O₃ 在下一代高压功率电子器件领域具备巨大应用前景，但过早击穿以及高温下过大的关态漏电流严重制约其实际应用。本文通过在横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 中引入臭氧辅助生长的半绝缘缓冲层，解决该关键难题。光致发光谱测试表明，该缓冲层含有高密度深能级受主缺陷，即镓空位（V_Ga）与镓-氧双空位复合体（V_Ga-V_O），可有效补偿热激活载流子并阻断漏电路径。引入该缓冲层的器件，在无场板结构且通过PLD制备的横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 中，实现了超过 3 kV 的创纪录击穿电压，比导通电阻为 206.84 mΩ・cm²。此外，在 200 ℃ 工作温度下，器件关态漏电流相比无缓冲层器件降低近两个数量级。变温电流-电压测试与 TCAD 仿真结果表明，臭氧辅助生长缓冲层内的深能级缺陷（2.4–3.1 eV）赋予其优异的高温绝缘特性；这与传统 Fe 掺杂衬底中的 Fe 相关受主能级（约 0.8 eV）形成鲜明对比。本研究证明，经过缺陷工程调控的缓冲层，为实现具备优异高温稳定性的 β-Ga₂O₃ 横向功率器件提供了可行的技术路线。

        ①该团队采用 PLD 工艺在臭氧气氛生长半绝缘 β‑Ga₂O₃ 缓冲层，无需外部离子掺杂或离子注入，在薄膜内部引入高密度镓空位（V_Ga）与镓-氧双空位复合体（V_Ga-V_O）深能级受主缺陷，规避掺杂离子高温扩散带来的性能劣化。

        ②相较于无缓冲层器件，集成臭氧生长缓冲层的 MOSFET 在 200 °C 下漏电流降低近两个数量级，同时栅极漏电流得到明显抑制，改善器件高温关态工作特性。

        ③器件不引入场板等边缘终端结构，栅漏间距L_GD=30 μm的样品击穿电压超过 3 kV，L_GD=10 μm 的样品击穿电压 1.6 kV 比导通电阻达到 206.84 mΩ⋅cm², 获得优异功率器件综合性能。

        ④结合 PL 光谱表征与 TCAD 仿真阐明了机理：Fe 杂质能级较浅（~0.8 eV），高温下易发生热激活产生漏电；而缓冲层内的深能级本征缺陷（2.4–3.1 eV）能有效俘获热激发载流子，阻断经由衬底的漏电通路。

        ⑤该团队证明，通过外延工程引入本征缺陷缓冲层，是发展面向高温恶劣环境应用的 β-Ga₂O₃ 高压横向 MOSFET 功率器件的一条可行且有效的技术路线。

        该团队证实引入半绝缘 β‑Ga₂O₃ 缓冲层是抑制横向 β‑Ga₂O₃ MOSFET 高温关态漏电流的有效方案。通过臭氧辅助生长 β-Ga₂O₃ 缓冲层，原位缺陷工程得以有效实现，诱导缓冲层内形成高密度的 V_Ga 和 V_Ga-V_O。这些缺陷作为深能级受主，能够有效补偿热激活的载流子，并抑制高温工作下的漏电路径。因此，具有缓冲层的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在 200 °C 下展现出约 10⁻⁶ mA/mm 的超低漏电流，比无缓冲层的器件低了近两个数量级。此外，该器件实现了超过 3 kV 的击穿电压和 206.84 mΩ·cm² 的比导通电阻。外延缓冲层工程的设计为实现用于严苛环境应用的高温、高电压 β-Ga₂O₃ 功率器件提供了一条可行且有效的途径。

图1. (a) 生长在 (010) Fe 掺杂 β-Ga₂O₃ 衬底上的单沟道层和双沟道/缓冲层的 θ-2θ XRD 全扫描图及 (b) RC 曲线。 (c) β-Ga₂O₃ 薄膜的 AFM 图像，显示光滑的表面形貌。 (d) β-Ga₂O₃ 薄膜上 Ti/Au 接触的 I-V 特性。插图为测量结构，以及从霍尔测量中提取的载流子浓度、迁移率和薄层电阻。

图2. 沿 [201] 带轴投影的 β-Ga₂O₃ (010) 薄膜的高分辨率透射电子显微镜图像，包括 β-Ga₂O₃ 的 (a) 顶部表面区域、(b) 沟道层、(c) 沟道层与缓冲层界面，以及 (d) 缓冲层与衬底界面。 (e) 和 (f) 分别是沟道层和缓冲层的放大视图。

图 3. (a) 集成缓冲层的 MOSFET 的三维剖面示意图；(b) MOSFET 器件光学显微镜照片；(c) 带缓冲层 MOSFET 的转移特性曲线；(d) 带缓冲层 MOSFET 的输出特性曲线。

图4. 从室温到 200 °C，在 V_DS = 20 V 下测量的温度相关的 I_D-V_G 和 I_G-V_G 曲线。(a) 和 (b) 为带缓冲层的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）， (c) 和 (d) 为不带缓冲层的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。

图 5. (a) 193 nm 激光激发下沟道层、缓冲层、Fe 掺杂 β‑Ga₂O₃ 衬底的 PL 光谱；(b) β‑Ga₂O₃ 材料中绿光、蓝光、紫外发光的产生机理示意图。

图6. (a) 高温下带和不带缓冲层的 MOSFET 漏电流贡献的示意图。来自漂移-扩散仿真的横向 β-Ga₂O₃ 晶体管的关态电流密度图； (b) 不带缓冲层的 MOSFET； (c) 带缓冲层的 MOSFET。在不带缓冲层的 MOSFET 中，衬底处存在漏电路径； (d) 不带缓冲层的 MOSFET 和 (e) 带缓冲层的 MOSFET 在不同温度下的转移曲线仿真结果（半对数坐标）。

图7. (a) 具有不同 L_GD 值的带缓冲层 MOSFET 的三端击穿 I-V 特性；(b) 在带缓冲层的 β-Ga₂O₃ MOSFET 中测得的 V_br 随 L_GD 的变化关系。 (c) 室温下 R_ON,SP 与击穿电压的关系图，以及 (d) 200 °C 下漏电流密度与 I_ON/I_OFF 比值的关系图，用于将本工作与其他最近发表的横向 β-Ga₂O₃ 功率晶体管器件数据进行基准比较。

DOI： 

10.1109/TED.2026.3729534