【会员论文】ISPSD 2026丨苏州纳米所纳米加工平台联合河南师范大学研究：垂直β-Ga₂O₃鳍式晶体管耐压突破1440 V，局部介质结构有效抑制电场集中

        由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台‌、河南师范大学的研究团队在学术会议 2026 IEEE第38届功率半导体器件与集成电路国际研讨会（ISPSD）发布了一篇名为 Internal Field Optimization Using a Localized Bottom SiO₂ in Vertical β-Ga₂O₃ FinFETs（基于底部局部二氧化硅的垂直 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管内部电场优化）的文章。

        随着电动汽车、可再生能源变换以及数据中心供电领域快速发展，市场对兼具高耐压、低导通损耗、高电场可靠性的功率晶体管需求日益迫切。超宽禁带半导体凭借大禁带宽度、高临界击穿电场的优势，性能全面超越传统宽禁带半导体。其中 β 相氧化镓（β-Ga₂O₃）禁带宽度约 4.8–4.9 eV，理论临界击穿电场可达 8 MV/cm，且可通过熔体法制备大面积单晶衬底，是高压功率开关器件的理想材料。

        目前垂直型 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管已取得长足发展，但该材料难以实现有效 p 型掺杂，限制了传统 PN 结型增强型 MOSFET 的应用。垂直鳍式场效应晶体管（FinFET）无需 p 型掺杂，依靠几何尺寸与侧壁耗尽实现常关工作，成为主流研究方向。不过鳍沟道沟槽拐角处存在严重电场聚集问题，极易引发器件提前击穿，制约了器件反向耐压能力与可靠性的进一步提升。针对这一痛点，本文提出一种局部介质电场优化结构，用于改善器件内部电场分布。

        垂直 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管凭借几何耗尽实现常关工作，同时依托超宽禁带具备强电场耐压能力，是高压功率开关器件的优选方案。但沟槽底部拐角处严重的电场聚集问题，仍会造成器件提前击穿。本文在鳍结构底部及拐角区域局部制备 100 纳米厚二氧化硅介质层，构建内部电场优化结构，研制出反向耐压能力大幅提升的垂直 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管。借助介质电场调控作用，器件击穿电压达到 1440 V，相比无电场优化结构的对比器件实现显著提升。该器件为增强型工作模式，阈值电压为 1.31 V，亚阈值摆幅 98.8 mV/dec，开关电流比达 10⁹，转移特性滞后电压仅 15 mV，滞后效应得到有效抑制。器件最大漏极电流密度为 519.4 A/cm²，微分比导通电阻为 12 mΩ·cm²。研究结果表明，采用介质调控拐角电场的方案，可在提升垂直 β-Ga₂O₃ 鳍式功率晶体管击穿能力的同时，保持低导通损耗，具备实际应用价值。

        ·创新提出局部 SiO₂ 介质内部电场优化结构，在鳍底部与拐角处引入 100 nm 二氧化硅层，改善沟槽拐角电场聚集问题，工艺兼容性强。

        ·电场优化后器件击穿电压从 965 V 提升至 1440 V，击穿前漏电流保持较低水平，反向阻断能力大幅增强。

        ·器件维持优异的增强型电学性能，具备合适的阈值电压、低亚阈值摆幅、极小的转移滞后，开关特性稳定。

        ·器件导通能力突出，比导通电阻低，综合巴利加优值达到 137 MW/cm²，导通损耗与耐压的综合性能处于业内先进水平。

        ·明确器件击穿位置转移至有源区边缘，验证了该结构对内部电场的有效调控作用。

        综上研究表明，采用局部拐角介质调控电场的方式，可有效提升垂直 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管的耐压稳定性，且该方案与现有制备工艺具备良好兼容性。在鳍结构底部及拐角处引入 100 纳米二氧化硅电场优化结构后，器件击穿电压从 965 V 提升至 1440 V，击穿前漏电流始终维持在较低水平。击穿后的扫描电镜表征显示，器件失效位置转移至方形有源区外围拐角，证明沟槽底部内部电场聚集问题得到有效抑制。该器件仍保持稳定的增强型工作模式与优异的正向导通性能，后续可结合内部介质层与外部边缘终端结构进行协同优化，进一步提升器件整体性能。