【国际论文】日本综合通信技术研究所：性能突出！氮自由基辐照调控β-Ga₂O₃ FinFET器件特性

        由日本综合通信技术研究所、大阪公立大学、东京农工大学的研究团队在学术期刊 APL Electronic Devices 发布了一篇名为 Effects of nitrogen radical irradiation on device characteristics of vertical β-Ga₂O₃(010) FinFETs（氮自由基辐照对垂直 β-Ga₂O₃(010) FinFET 器件特性）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是一种性能优异的超宽禁带半导体材料，禁带宽度可达 4.5 eV，同时具备 7 MV/cm 的超高临界击穿电场，在高压、大功率半导体器件领域拥有极高的应用价值，相关器件研发工作一直是行业热点。目前业内已成熟实现硅、锡元素对 β-Ga₂O₃ 的施主掺杂技术，可在 10¹⁵ ~ 10²⁰ cm⁻³ 宽范围内调控 n 型载流子浓度，但该材料受浅受主缺失、自陷空穴等本征属性限制，难以制备双极型器件，氮、镁等深受主掺杂常被用于制作电流阻挡层。β-Ga₂O₃ 本征热导率偏低，横向器件易因局部大电流引发温升失效，垂直结构器件可依托整片衬底散热，有效解决热管理难题，其中垂直 FinFET 凭借双栅极带来的强静电控制能力，综合性能最为突出。β-Ga₂O₃(100) 晶面悬挂键密度低、表面能小，是理想的栅侧壁取向，但器件制备采用的感应耦合等离子体刻蚀工艺会产生大量悬挂键与带电杂质，引入界面陷阱、增大开关损耗，还会造成器件阈值电压离散分布。传统氢氟酸、磷酸湿法腐蚀无法彻底消除刻蚀残留缺陷与杂质，难以修复刻蚀造成的表面损伤，因此开发新型表面改性工艺，恢复刻蚀后器件侧壁表面状态、提升器件一致性，成为该领域亟待解决的研究空白。

        该团队研究了氮自由基辐照对垂直 β-Ga₂O₃(010) 鳍式场效应晶体管器件特性的影响。氮自由基辐照处理后，器件鳍侧壁形成氮化层并产生固定负电荷，使得器件阈值电压正向偏移，同时片内参数分布均匀性得到提升，证明该氮化工艺可有效修复刻蚀后的侧壁表面状态。氮化器件的击穿电压同样具备良好分布均匀性，采用多鳍结构并增大鳍宽能够降低器件比导通电阻。鳍宽为 300 nm 的氮化型多鳍器件实现常关工作模式，亚阈值摆幅为 73 mV/decade，开关比大于 10¹⁰，比导通电阻为 9.5 mΩ·cm²，击穿电压为 1213 V，功率优值可达 1.55 ×10⁸ W/cm²。

        •采用氮自由基辐照工艺修复 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管侧壁的等离子体刻蚀损伤。

        •氮化处理实现阈值电压正向偏移，大幅提升器件参数分布均匀性。

        •优化多鳍结构与鳍宽度，有效降低器件比导通电阻。

        •制备的器件兼具高击穿电压与优异功率优值，综合性能突出。

        该团队研究了氮自由基辐照对 β-Ga₂O₃(010) 鳍式场效应晶体管器件特性的影响。当鳍宽为 200 nm 时，未氮化器件的阈值电压为 0.65±0.25 V，氮化处理后器件阈值电压变为 1.35±0.15 V，该现象是由鳍侧壁表面氮化层中形成的固定负电荷所导致。氮化处理后的器件，其阈值电压片内均匀性得到提升，这表明该氮化工艺可有效修复等离子体刻蚀后形成的表面损伤。鳍宽为 300 nm 的氮化型多鳍器件实现了常关工作模式，其亚阈值摆幅为 73 mV/decade，开关比大于 10¹⁰，比导通电阻为 9.5 mΩ·cm²，击穿电压为 1213 V，功率优值达到 1.55×10⁸ W/cm²。以上结果表明，氮自由基辐照技术可用于制备器件性能均匀性优异的常关型 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管。