【会员论文】宁波甬江实验室联合杭州镓仁半导体等团队推进β-Ga₂O₃常关器件关键工艺，实现增强型MOSFET与NMOS逻辑单片集成

        由宁波甬江实验室、中国科学技术大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所张文瑞研究员、杭州镓仁半导体有限公司供应链总监夏宁等人的联合研究团队在学术期刊 physica status solidi – Rapid Research Letters 发布了一篇名为 High-Performance Enhancement-Mode β-Ga₂O₃ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors With Recessed-Gate and Wet Repair for Monolithic NMOS Inverters（刻槽栅搭配湿法修复工艺的高性能增强型 β-Ga₂O₃ MOSFET 及其单片 NMOS 反相器）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，禁带宽度约 4.8 eV、临界击穿电场达 8 MV/cm，单晶衬底可熔体法制备，是下一代高温逻辑与功率器件核心材料。但该材料难以稳定实现常关增强型器件，成为安全低功耗逻辑电路的发展瓶颈。刻槽栅结构可减薄沟道实现增强模式，然而等离子刻蚀会在 β-Ga₂O₃ 表面引入大量刻蚀损伤，大幅提升界面缺陷密度，劣化栅控能力、开关比与击穿特性。

受限于无法制备高质量刻槽栅沟道界面，现有 β-Ga₂O₃ 逻辑器件普遍存在饱和电流低、亚阈值摆幅差、耐压不足等缺陷；且该体系无法制备 CMOS 电路，仅能依靠耗尽/增强（E/D）型 NMOS 单片集成实现逻辑反相器，已报道器件电压增益偏低、噪声裕度不均衡。本文开发等离子刻蚀结合两步湿法修复的低损伤刻槽栅工艺，修复刻蚀造成的表面粗糙与界面陷阱，制备高性能增强型 β-Ga₂O₃ MOSFET，并在同一外延片单片集成耗尽型负载管构建 NMOS 反相器，为氧化镓宽禁带逻辑集成电路提供可行工艺方案。

        本文采用等离子刻蚀搭配两步湿法修复的低损伤工艺，制备刻槽栅增强型（E型）β-Ga₂O₃ 金属氧化物半导体场效应晶体管。湿法修复可在不改变刻槽沟道深度的前提下，将刻蚀后表面粗糙度由 4.65 nm 降至 0.52 nm。制备得到的器件阈值电压为 9.6 V，饱和漏电流密度 54.7 mA/mm，导通电阻低至 151.7 Ω·mm，峰值跨导超过 8 mS/mm。器件亚阈值摆幅 258.6 mV/dec，界面陷阱密度 1.9×10¹² cm⁻²·eV⁻¹，开关比高于 10⁹，证明修复后 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面质量优异。此外，将增强型器件与耗尽型（D型）β-Ga₂O₃ MOSFET 单片集成，制备得到 E/D 型 NMOS 反相器，电压增益达 4.6，高低噪声裕度均衡，分别为 5.5 V、7.4 V。该研究为高性能 β-Ga₂O₃ 逻辑电路搭建了可行实现路径。

        ①提出等离子刻蚀+两步湿法修复复合工艺，大幅修复刻蚀引入的表面损伤，粗糙度由 4.65 nm 降至 0.52 nm，刻槽深度无衰减；

        ②制备高性能刻槽栅增强型 β-Ga₂O₃ MOSFET，开关比超 10⁹，界面陷阱密度低至 1.9×10¹² cm⁻²·eV⁻¹，饱和电流、跨导、耐压综合性能优异；

        ③实现同一外延片上 E/D 管单片集成，构筑氧化镓基 NMOS 反相器，电压增益 4.6，高低噪声裕度均衡；

        ④湿法修复工艺无需真空设备，兼容现有氧化镓器件产线，有效降低界面陷阱、抑制滞后效应，提升栅静电调控能力；

        ⑤器件耐压可达 325 V，在同类型单片氧化镓逻辑器件中具备高压、大电流输出优势。

        本文制备刻槽栅增强型 β-Ga₂O₃ MOSFET，并与耗尽型器件单片集成实现 E/D 型 NMOS 反相器。刻槽栅结构搭配两步湿法化学处理可修复表面形貌，维持高质量 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 栅介质界面。该增强型器件阈值电压 9.6 V，饱和漏电流密度 54.7 mA/mm，导通电阻低至 151.7 Ω·mm，峰值跨导大于 8 mS/mm。器件亚阈值摆幅仅 258.6 mV/dec，界面陷阱密度低至 1.9×10¹² cm⁻²·eV⁻¹，开关比高于 10⁹，证明栅控能力优异、界面损伤极低。器件关态耐压最高可达 325 V，耐压受限源于刻槽栅边缘电场聚集。单片集成 E/D 反相器电压增益为 4.6，高低噪声裕度均衡，分别为 5.5 V、7.4 V。上述结果证明刻槽栅 β-Ga₂O₃ MOSFET 可作为高性能常关逻辑电路的实用核心器件。

        本研究得到国家自然科学基金（项目编号 62204244）、浙江省自然科学基金（项目编号 LQ23F040003）资助；部分研究工作获得宁波甬江人才专项支持（项目编号 2021A-046-C）。