【国际时事】美国两所大学的研究成果有助于提高β-Ga₂O₃ FET的射频性能

β-Ga₂O₃ MOSFET实现了出色的击穿电压和最大振荡频率

        两所美国大学的工程师通过合作，声称β-Ga₂O₃ MOSFET的性能已实现实质性改进。该晶体管由布法罗大学和俄亥俄州立大学联合团队合作生产，据称将同时拥有破纪录的最大振荡频率(f_max)，以及亚微米栅极长度横向FET领域的新基准。

        对新一代射频晶体管而言，由β-Ga₂O₃制成的MOSFET器件很有前景，这要归功于：FET和二极管的击穿电压以kV为单位；计算表明饱和速度很快；且β-Ga₂O₃的外延生长拥有许多可选项。

        据该团队称，其研究可能有助于推动β-Ga₂O₃ MOSFET的开发，而β-Ga₂O₃ MOSFET可增强L频段(1-2 GHz)和S频段(1-2 GHz)的信号。布法罗大学的团队发言人Uttam Singisetti补充道，“未来有潜力应用于更高频率。”

        早在2021年，该团队就研发出调制掺杂β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ FET，其f_max和截止频率(f_t)的记录分别为37GHz和30GHz。该器件在高达250°C的温度下拥有稳定射频性能，但击穿电压仅为23 V。

        提高β-Ga₂O₃器件击穿电压的常用方法包括添加场板，以及使用更长栅极。然而，虽然这些方法有助于击穿，但其代价是射频性能下降。栅极更长，有效沟道速度也会受到抑制，从而导致电子传输延迟更久。此外，将场板插入具有亚微米栅极长度的器件时，由于寄生电容，截止频率会有所下降。

        为了尝试在不影响射频性能的条件下改善MOSFET的击穿，Singisetti及其同事转向高掺杂接触再生工艺。此前，已证明在β-Ga₂O₃ MESFET和HFET中，这一工艺产生了非常低的接触电阻，同时具有更好的跨导和射频性能。

        该团队制造大尺寸细沟道MOSFET时，采用了栅极氧化物以实现更高击穿电压，首先要将半绝缘同质衬底装入臭氧MBE室。在该反应器中，生长出了200 nm厚的非故意掺杂缓冲层，然后生长出了60 nm厚的硅掺杂沟道。在T形Ni/Au栅极下方，等离子体增强原子层沉积生成了了20 nm厚的SiO₂层，然后通过MOCVD添加n⁺⁺层进行了再生，其中n⁺⁺层为电子束蒸发添加的Ti/Au/Ni源极接触和漏极接触提供了基础。200 nm厚的SiN等离子体增强CVD可使器件钝化（见上图）。

        对该团队一款栅极长度为175 nm的β-Ga₂O₃ MOSFET进行直流测量后发现，在6 V栅源电压下导通电阻为23.7Ω mm，在10 V栅偏压下峰值跨导为 52 mS/m，最大漏极电流为285 mA mm^-1，这一电流据称可与Ga₂O₃ FET中公布的最高电流密度相媲美。

        再生层和沟道间界面的电阻估计高达6.5±0.6 Ω mm。此数值相对较大，可能是缺乏预处理导致的大气污染物所造成的，或者可能是使用不同的外延技术所造成的。由于已经存在完全采用MOCVD生长的具有低界面电阻的MESFET，因此该团队并没有过分关注这个问题。

        栅源电压偏置为-40 V时，MOSFET在152 V时发生灾难性击穿，表明栅漏击穿电压为192 V，平均击穿场强为5.4 MV/cm。

        进行高频弱信号测量时，测得f_max突破纪录，约为48GHz，而f_t为11GHz。

        该团队的下一个目标是缩小器件尺寸。Singisetti表示，“我们计划将器件的f_max扩大到100 GHz以上，并进行强信号功率测量。”

参考文献

C.N. Saho et al. Appl Phys. Lett. 122 182106 (2023)