【会员论文】APR | 南邮唐为华教授联合香港科技大学（广州）、内蒙古大学团队：从架构到器件物理，探索氧化镓晶体管横向、纵向及异质结构集成

        由南京邮电大学唐为华教授、香港科技大学（广州）陈子强教授、内蒙古大学刘增研究员等人的研究团队在学术期刊Applied Physics Reviews发布了一篇名为From architectures to device physics: Pathways to integrate lateral, vertical, and heterogeneous schemes in gallium oxide transistors（从架构到器件物理：在氧化镓晶体管中整合横向、纵向及异质结构的途径）的文章。

        随着集成电路、人工智能、新能源汽车等战略新兴产业的快速发展，电子系统对高频、高压、大功率器件的需求持续攀升。传统硅基半导体器件性能已逼近理论极限，以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体逐步实现替代，但仍难以满足下一代极端工况应用需求。禁带宽度大于 4eV 的超宽禁带半导体成为核心研发方向，其中氧化镓（Ga₂O₃）凭借约 4.8eV 的超宽禁带、8MV/cm 的高临界击穿场强、可实现高效 n 型掺杂以及低成本熔体生长等优势，突破了金刚石、氮化铝等材料的掺杂瓶颈，成为下一代超高压功率与射频器件的核心候选材料。近十年来，随着大尺寸单晶衬底制备与外延掺杂技术的突破，β-Ga₂O₃ 晶体管从基础研究快速走向器件验证，横向、垂直、异质集成等结构不断迭代，但其 p 型掺杂难题、动态导通电阻退化、散热性能差等瓶颈仍未解决，亟需系统梳理技术路径与发展方向。

        该团队系统总结了近年来备受关注的 β-Ga₂O₃ 晶体管的结构与性能研究进展。从应用领域角度展开，在每个类别中基于结构配置或工作机制详细讨论器件变体。涵盖的关键结构包括用于电力电子的横向和垂直 β- 氧化镓金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管、射频 β-Ga₂O₃ 晶体管以及用于柔性应用的 β-Ga₂O₃ 薄膜晶体管。旨在为氧化镓晶体管技术领域提供全面参考，并启发未来研究方向。

        •  从架构到器件物理全维度梳理 β-Ga₂O₃ 晶体管，整合横向、垂直、异质集成三类核心技术路径；

        •  系统归纳横向功率 MOSFET（同质外延、异质集成、电路应用）、垂直功率 MOSFET（CAVET、槽栅、FinFET）、射频器件、薄膜晶体管四大器件体系的最新进展；

        •  明确 β-Ga₂O₃ 器件性能基准，指出其已超越硅基、逼近碳化硅基器件极限，揭示材料本征潜力；

        •  提出四大未来发展路径：结构创新突破性能、材料创新攻克瓶颈、应用创新拓展场景、电路集成实现落地。

        近年来，横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 凭借材料本征高临界电场和优异热稳定性，推动平面型超宽禁带功率器件持续发展。得益于成熟的平面制备工艺与灵活的结构设计，其击穿电压已突破 10kV，同时在栅控能力、电场工程和界面优化方面取得显著进展。包括凹栅、T 型栅、三栅结构、铁电栅在内的多种栅结构，结合源 / 漏场板和异质结栅堆叠，有效缓解了表面电场聚集，显著提升了开关特性与器件可靠性。此外，横向 β-Ga₂O₃ 晶体管已开始向系统级验证方向发展，双向开关、单片集成反相器和降压转换器原型验证了其在智能功率电子和集成电路应用中的潜力。

        尽管取得显著进展，横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 的进一步提升仍受多个关键瓶颈制约。最突出的挑战是高压开关下严重的动态导通电阻退化，源于界面态、深能级缺陷和工艺诱导损伤相关的电荷俘获。此外，界面与钝化质量不足、低热导率导致的显著自热效应、大尺寸外延均匀性受限，共同阻碍了器件在高压高频工作中的稳定性与可扩展性。为解决这些问题，当前研究聚焦于提升界面与钝化质量、优化电场工程、降低缺陷密度、优化外延生长，并采用高导热衬底或异质集成方案。随着材料质量、制备工艺和热管理的持续进步，横向 β-Ga₂O₃ MOSFET 有望在中高压、高温和集成功率系统中发挥愈发重要的作用，进一步拓展超宽禁带器件的应用版图。

        江苏省前沿技术研发计划（No. BF2025078）、国家自然科学基金（No. U23A20349、62305171）、江苏省创新创业团队（No. JSSCTD202351）、江苏省自然科学基金（No. BK20230361、BK20250657）、苏州市关键核心技术研究项目（No. SYG2024003）、江苏省青年科技人才提升计划（No. JSTJ-2024-197）、南京邮电大学人才引进自然科学研究启动基金（No. NY224052）

图 1 氧化镓晶体管的结构与物理机制。

图 2 氧化镓当前的先进应用。

图 3 NICT 团队早期 Mg 掺杂半绝缘 β- 氧化镓横向晶体管的结构与电学特性：(a)(b) 基于 Mg 掺杂半绝缘 β- 氧化镓单晶衬底的 Sn 掺杂 β- 氧化镓外延层 MESFET。(c)(d) 采用离子注入形成重掺杂源漏区、原子层沉积 Al₂O₃作为栅介质的 MOSFET。(e)(f) 采用金属场板、Al₂O₃栅介质以及原子层沉积 SiO₂支撑场板的 MOSFET。

图 4 采用场板工程提升击穿电压的器件结构与电学特性：(a)(b) 栅场板与源场板协同设计的 MOSFET 实现 2.9 kV 击穿电压。(c)(d) 栅场板与 SU-8 钝化层的 MOSFET 实现 8032 V 击穿电压。(e)(f) 硼离子注入平面隔离与场板工程的 MESFET 实现超过 10 kV 击穿电压。

图 5 采用鳍式结构提升击穿电压的器件结构与电学特性：(a)(b)(100) 取向 Mg 掺杂半绝缘本征衬底鳍式 MOSFET 实现 600 V 击穿电压与 0~1 V 阈值电压。(c)(d) 采用无等离子体金属辅助化学刻蚀法制备鳍式结构以降低刻蚀损伤的 MOSFET 实现 370 V 击穿电压。(e)(f) 采用金属有机化学气相沉积掺杂技术制备鳍栅的 MESFET 实现 3 kV 击穿电压与 0.95 GW/cm² 的优异性功率优值。

图 6 通过异质集成提升击穿电压的器件结构与电学特性：(a)(b)β- 氧化镓 / 氧化镍异质结场效应晶体管实现 1115 V 击穿电压。(c)(d) T 型氧化镍栅结构场效应晶体管实现 2145 V 击穿电压。

图 7 通过异质集成实现增强型工作的器件结构与电学特性：(a)(b) 异质结与凹栅结构场效应晶体管实现 0.9 V 阈值电压与 980 V 击穿电压。(c)(d) 异质结与原子层沉积 SiO₂场效应晶体管实现 3~13 V 阈值电压与 2955 V 击穿电压。(e)(f) 异质结与金属栅场效应晶体管实现 4.2 V 阈值电压与 2160 V 击穿电压。

图 8 氧化镓晶体管性能优化工作的结构与电学特性：(a)(b) 铁电电荷存储栅场效应晶体管实现 1.34 V 阈值电压与 2142 V 击穿电压。(c)(d) 金掺杂铁电栅场效应晶体管实现 9.03 V 阈值电压与 834 V 击穿电压。

图 9 电流阻挡层型垂直 β- 氧化镓 MOSFET 的结构与电学特性：(a)(b) 镁离子注入作为电流阻挡层的 CAVET 实现 - 34 V 阈值电压。(c)(d) 氮离子注入作为电流阻挡层的 CAVET 实现 0.42 kA/cm² 最大漏极电流密度。(e)(f) 氮离子注入作为电流阻挡层并增设 n 辅助区的 CAVET 实现 4 V 阈值电压与 263 V 击穿电压。(g)(h) 镁旋涂玻璃选择性掺杂作为电流阻挡层的 VDBFET 实现 7 V 阈值电压与 0.15 kA/cm² 最大导通电流密度。(i)(j) 基于 TCAD 模拟的氧化镍作为电流阻挡层的 CAVET 实现 2.8~5.1 V 阈值电压与 6061.6 V 击穿电压。

图 10 槽栅型垂直 β- 氧化镓 MOSFET 的结构与电学特性：(a)(b) 氧退火形成电流阻挡层的 UMOSFET 实现 11 V 阈值电压。(c)(d) 氮离子注入形成电流阻挡层的 UMOSFET 实现 702.3 A/cm² 高电流密度与 10.4 mΩ・cm² 低导通电阻。(e)(f) 金属有机化学气相沉积原位镁掺杂形成电流阻挡层的 UMOSFET 实现 1.56 kA/cm² 优异电流密度与超过 8.5 kV 击穿电压。

图 11 Hu 团队鳍式垂直 β- 氧化镓 MOSFET 工作的结构与电学特性：(a)(b) 基于非故意掺杂 (−201) 衬底并采用离子注入的 FinFET 实现 1 kA/cm² 电流密度与 185 V 击穿电压。(c)(d) 采用氢化物气相外延生长轻掺杂外延层的 FinFET 实现 2.2 V 阈值电压与 1057 V 击穿电压。(e)(f) 集成源极连接场板以重新分布表面电场的 FinFET 实现 1.6 kV 击穿电压。

图 12 其他技术制备的鳍式垂直 β- 氧化镓 MOSFET 结构与电学特性：(a)(b) 通过沉积后退火与多鳍结构提升沟道迁移率的 FinFET 实现 2.66 kV 击穿电压与 25.2 mΩ・cm² 比导通电阻。(c)(d) 在 (100)β- 氧化镓衬底上制备的 FinFET 实现 2.7 MV/cm 创纪录平均击穿场强。(e)(f) 氮掺杂制备高阻层的 FinFET 实现 2.9 mΩ・cm² 低比导通电阻与 760 A/cm² 高电流密度。

图 13 鳍式场效应晶体管的其他新型结构：(a) 氧化镍 /β- 氧化镓异质结基 FinFET。(b) 高 K 垂直介质堆（氧化铪 / 二氧化硅 / 氧化铝）FinFET。(c) 集成FinFET - 肖特基势垒二极管。

图 14 体掺杂沟道氧化镓射频器件的结构与射频特性：(a)(b) 采用沟槽刻蚀技术局部减薄栅下沟道并制备 SiO₂辅助 T 型栅结构的射频场效应晶体管实现 3.3 GHz 截止频率与 12.9 GHz 最大振荡频率。(c)(d) 采用硅离子注入与 T 型栅技术的射频场效应晶体管。(e)(f) 通过低能硅离子注入形成超薄导电沟道的射频场效应晶体管实现 29 GHz 截止频率与 35 GHz 最大振荡频率。(g)(h) 采用 SiO₂栅介质与氮化硅辅助 T 型栅的射频场效应晶体管实现 11 GHz 截止频率与 48 GHz 最大振荡频率。

图 15 基于二维电子气沟道的氧化镓射频器件结构与射频特性：(a)(b) 铝镓氧 / 氧化镓调制掺杂异质结形成的二维电子气器件。(c)(d)δ 掺杂外延层形成的二维电子气器件。(e)(f) 铝镓氧 / 氧化镓调制掺杂异质结形成的二维电子气器件。

DOI ：

10.1063/5.0317781