【会员论文】台湾阳明交通大学---蓝宝石上生长的带有AlGaO间隔层的β-氧化镓金属氧化物场效应晶体管在大功率器件应用中的研究

        该项目由国立阳明交通大学高等教育萌芽计划和台湾教育部 2024 年教育部 UI-UAAT 合作计划资助。并且作者还感谢了工业技术研究院和闳康科技股份有限公司提供的资金和材料测量支持。

        该项研究利用金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上生长出 β-Ga₂O₃ 外延层，并制造出横向 β-Ga₂O₃ 场效应晶体管（FET）。为了提高这些场效应晶体管的性能，还加入了  β-Ga₂O₃/(Al_0.33Ga_0.67)₂O₃ 结构。由此产生的场效应晶体管具有高导通电流（I_on）、低导通电阻（R_on）和高漏极电流导通比，表明 β-Ga₂O₃/(Al_0.33Ga_0.67)₂O₃ 结构具有出色的二维电子气体（2DEG）特性。通过优化 β-Ga₂O₃ 的厚度和掺杂浓度，实现了高性能 2DEG β-Ga₂O₃ FET，满足了功率器件的严格要求。值得注意的是，重掺杂 β-Ga₂O₃/(Al_0.33Ga_0.67)₂O₃ 结构显著提高了性能，饱和电流（I_D,sat）从 0.16 mA/mm 提高到 11.4 mA/mm，显著提高了 6925%，击穿电压从 331 V 提高到 687 V，提高了 107.25%。此外，还模拟了含 AlGaO 和不含 AlGaO 器件的相对性能。这些性能的提高主要归功于 β-Ga₂O₃/(Al_0.33Ga_0.67)₂O₃ 层有效降低了漏电流密度和 2DEG 的形成，精确的生长参数和结构设计对提高 β-Ga₂O₃ 场效应晶体管的性能非常重要，使其在大功率应用中大有可为。

        该研究证明了 2DEG Ga₂O₃ FET。通过提高 β-Ga₂O₃ 层的载流子浓度，增强了 2DEG 能力，从而使 β-Ga₂O₃ FET 的 V_T 值发生变化，导通电流更高。通过优化载流子浓度和 β-Ga₂O₃ 外延结构厚度的 2DEG 沟道，实现了出色的导通电流、栅极控制（I_on/I_off > 10⁷）和更高的击穿电压。此外，还利用 TCAD 模拟了含 AlGaO 和不含 AlGaO 的结构。得到的结果与实验结果非常一致。所有这些结果表明，所提出的 AlGaO/β-Ga₂O₃ FET 在高压器件应用中大有可为。

图 1：β-Ga₂O₃ 外延结构：(a) A 为传统过渡结构，(b) B 为间隔层和轻浓度注入层（100 nm），(c) C 为间隔层和重浓度注入层（50 nm），(d) D 为间隔层和重浓度注入层（70 nm）。

图 2. 2DEG β-Ga₂O₃ MOSFET 的结构示意图。

DOI：

doi.org/10.1021/acsaelm.4c02230