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【国际论文】《Nano Letters》封面文章：首个 Semiconductor–Free–space Gate 晶体管
日期：2025-11-18阅读：63
近日，《Nano Letters》刊登并收录为封面亮点的一项突破性研究：全球首个Semiconductor–Free–space Gate（SFGT）自由空间栅晶体管。该成果由沙特阿拉伯 KAUST（阿卜杜拉国王科技大学）李晓航教授团队完成，基于 β-Ga₂O₃（氧化镓）构建出全新栅控机制，为下一代功率电子、传感与存储技术开启了全新的器件范式。
研究背景：突破传统 MOSFET 栅介质瓶颈
在传统金属-氧化物-半导体（MOS）晶体管中，电场需穿透固态介质（如 SiO₂、Al₂O₃）才能调控沟道。然而，介质内部或界面上的陷阱电荷往往会导致：
• 门控能力下降
• 阈值电压漂移
• 耐压与可靠性受限
• 高温/辐照环境性能快速退化
这些问题在宽禁带材料（尤其是 Ga₂O₃）中尤为突出。
本工作首次完全移除固态介质，以“自由空间（air/vacuum）”取代传统栅介质，构建出一种全新晶体管架构——SFGT。
核心创新：真正意义上的“自由空间栅控”晶体管
论文中提出的 SFGT（Semiconductor–Free-space Gate Transistor） 具有以下关键特征：
全新栅控结构
• 沟道为 <100 nm 的 Ga₂O₃ 窄鳍结构
• 两侧为对称 side-gate
• 栅极与沟道之间完全无固态介质，仅为自由空间（空气或真空）
这一结构实现了晶体管历史上首次真正意义上的“free-space gating”，并带来一系列优势：
• 无介质陷阱 → 无氧化物相关失效
• 电场直接耦合 → 栅控能力强
• 栅区可直接暴露 → 可用于传感/环境调控
• 阈值电压可通过环境、表面态、功能材料调节
主要性能突破（基于 β-Ga₂O₃ 器件）
实验结果显示，SFGT 的性能已完全达到甚至优于许多氧化物栅 Ga₂O₃ 器件：
• 亚阈值摆幅（SS）低于 200 mV/dec
• 最大漏电流 > 250 mA/mm
• 开关比超过 10⁶
• 阈值滞后 < 230 mV
• 耐压 > 500 V
（对应 Ga₂O₃ 内部电场 ~4.8 MV/cm）
关键技术突破
1. 高质量 Ga₂O₃ 窄鳍加工（<100 nm）
KAUST 团队利用原子层刻蚀（ALE）极大降低侧壁损伤，将界面态密度控制到~10¹² cm⁻²·eV⁻¹，确保了自由空间界面也能实现优良的栅控性能。
2. 自由空间可调控性：空气 vs 真空
• 器件在空气和真空中表现不同：
• 真空中 SS 明显变差
• 阈值电压负移
• 滞后从 100 mV 增大到 1 V
说明：自由空间界面可通过环境分子吸附/脱附来调控器件特性。
这一特性让 SFGT 天然适用于：
• 气体传感
• 表面功能层可重构器件
• 全新类型的存储单元
对氧化镓产业的意义
SFGT 的出现，为氧化物半导体带来三个重大启示：
1. 彻底摆脱“介质质量”束缚
Ga₂O₃ 在高温、大电场下的氧化物界面问题一直是业界痛点。SFGT 直接移除栅介质，开辟了新方向。
2. 极端环境电子学的潜在主力
无固态介质 → 辐射免疫、高温稳定
与深空、核能、极端环境传感器等方向高度契合。
3. 未来可扩展到 GaN、AlN、Ga₂O₃ 系统
论文指出 SFGT 与自开关二极管（SSD）共享电场调控机制，因此可拓展至多种半导体。
