【国际论文】用于 β-Ga₂O₃ 金属绝缘体半导体场效应晶体管的2D非晶 GaOx 栅极电介质

        近期，由韩国首尔大学的研究团队在科学期刊 《IOPSCIENCE》中发表了一篇名为2D Amorphous GaO_X Gate Dielectric for β-Ga₂O₃ Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistors（用于 β-Ga₂O₃ 金属绝缘体半导体场效应晶体管的2D非晶 GaO_X 栅极电介质）的文章。

摘要

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种 n 型超宽禁带半导体材料，其禁带宽度在 4.5 eV 至 4.9 eV 之间。因具有众多优点，β-Ga₂O₃ 是下一代功率器件研究的领跑者，包括掺杂给体浓度范围广、带隙大、临界电场理论值高（约 8 MV/cm），巴利加优值高达约 1900，而且生产成本低。最后一个优点得益于几种体生长技术的商业化发展，即熔融生长法，包括 Cz法 和边缘定义的薄膜供给生长，以及外延生长。金属绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFETs）是应用最广泛的器件结构，因为与结型场效应晶体管或双极结型晶体管等同类器件相比，通常不需要复杂的制造工艺，并能提供更好的器件扩展性和更快的开关速度。至今人们研究了各种电介质材料，如二氧化硅、氧化铪和氧化铝，用于β- Ga₂O₃ MISFETs的整合。然而，许多电介质在制造过程中需要高温和/或高真空工艺。最近的研究报道了液态镓表面在室温下自限性形成的原生氧化膜，以及氧化膜作为钝化层或介电层在纳米级器件中的应用。本研究通过液态镓挤压技术制备了二维（2D）非晶氧化镓（a-Ga₂O₃）薄膜，并将其与β-Ga₂O₃ 场效应晶体管（FET）集成，展示 a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ MISFET。

        在这项工作中，通过机械剥离获得了β-Ga₂O₃纳米薄片，并将其干法转移到Si/ SiO₂衬底上。电子束光刻和电子束蒸发分别用于确定和沉积Ti/Au电极，随后进行快速热退火以形成欧姆源极和漏极触点。在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜上旋涂并烘烤聚丙烯碳酸酯（PPC）溶液，将其放置在玻璃载玻片上提供机械支撑，以便在 PDMS 薄膜上形成均匀的 PPC 层。将液态镓液滴置于 PPC/PDMS 薄膜上，用清洁的玻璃载玻片挤压，形成均匀的二维 a-Ga₂O₃ 层。将制得的 a-Ga₂O₃ 层干法转移到 β-Ga₂O₃ FET 上，在此过程中，对样品夹头施加 90 ℃ 的温度，使 PPC 层与 a-Ga₂O₃ 层从 PDMS 层中完全分离。将得到的 a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ FET 浸入丙酮中以去除 PPC 层。在进行电子束光刻和电子束蒸发以分别确定和沉积Ni/Au顶栅电极之前，先进行两次上述 a-Ga₂O₃ 层的干转移过程，以便在 β-Ga₂O₃ FET 上形成双层 a-Ga₂O₃。

        在 25 ℃、150 ℃ 和 250 ℃ 温度条件下，该器件的电学特性被表征为 Ni/a-Ga₂O₃/β- Ga₂O₃ 异质结和 a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ MISFET。与文献中的标准 Ni/β-Ga₂O₃ 器件相比，该器件的 Ni/a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ 异质结显示出明显的整流特性，工作电压更宽。双层 a- Ga₂O_3，a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ MISFET 在 25 ℃ 至 250 ℃ 温度范围内具有常开 n 型电导率和稳定的工作性能，其on/off电流比和迁移率范围分别为 5.3×10⁸ 至 4.8×10⁷ 和 4.7 cm²/V·s 至 6.9 cm²/V·s。在较高温度下，a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ MISFET 的阈下摆动和阈值电压分别出现上升和负偏移。这项工作证明了通过将二维非晶 Ga₂O₃ 栅极电介质与 β-Ga₂O₃ 半导体相集成，a-Ga₂O₃/β-Ga₂O₃ MISFET 的制造工艺非常简单，而且具有高温稳定性。

原文链接： https://iopscience.iop.org/article/10.1149/MA2023-01321839mtgabs