【国内论文】河北半导体研究所＆中国科大：具有源极场板且击穿电压超过 7kV 的 β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ MOSFET

        由河北半导体研究所与中国科学技术大学的研究团队在学术期刊 Micro and Nanostructures 发布了一篇名为Source-Field-Plated β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ MOSFET with Breakdown Voltage Over 7kV（具有源极场板且击穿电压超过 7kV 的 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ MOSFET）的文章。

        本研究得到中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFE0205300）的资助。

        Β相氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和极高的理论击穿场强，是制造下一代高压、大功率开关器件的理想材料。与 β-Ga₂O₃ 形成异质结的 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃（AlGaO）可以在界面处诱导出二维电子气，这有助于降低器件的导通电阻，是构建高性能场效应晶体管（MOSFET）的有效途径。 对于高压功率器件，其性能极限往往受限于器件边缘（特别是栅极边缘）的电场集中效应，会导致器件过早击穿。场板技术是一种成熟且有效的终端技术，通过在器件上增加额外的电极来优化电场分布，从而提高击穿电压。虽然栅极场板和漏极场板已被广泛研究，但源极场板作为一种能够有效屏蔽栅极下方高峰值电场的结构，在 Ga₂O₃ 器件中的应用和优化研究尚不充分。 

        本文展示了具有高击穿电压的 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在铁掺杂的半绝缘 β-Ga₂O₃ 衬底上生长了 150 nm 厚的 β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 外延层和 30 nm 厚的 Ga₂O₃ 缓冲层。该外延薄膜具有较高的晶体质量，XRD 摇摆曲线中的半高宽（FWHM）为 54 角秒，表面粗糙度为 2.3 nm。通过制备 T 形栅极和源极-漏极电极，以缓解电场聚集。源-漏长为 84 μm 的 β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ MOSFET 展现出 7.2 kV 的击穿电压，结合 3534 mΩ cm² 的特定导通电阻，对应的功率性能指标为14.7 MW/cm²。这些结果凸显了 β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ 在高压电力电子学中的应用潜力。

        ● 解决了外延生长中的挑战，实现了 150 nm 厚的 β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 层。

        ● 采用了 T 形栅极和源极-场极镀层结构以提升性能。

        ● 在 β-(Al_0.13Ga_0.87)₂O₃ MOSFET 中实现了 7.2 kV 的击穿电压。

        ● 在高压应用中展示了高达 14.7 MW/cm² 的功率性能指标。

        本研究展示了 SFP β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ MOSFET 的制备与特性分析，其击穿电压超过 7 kV。通过 MOCVD 在 Fe 掺杂的 β-Ga₂O₃ 衬底上生长 150 nm 厚的 β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 层，实现了具有增强击穿特性的器件。引入 T 形栅极和 SFP 结构显著抑制了峰值电场，使 L_GS 分别为 44 μm 和 84 μm 的器件分别实现了 5.1 kV 和 7.2 kV 的高击穿电压。这些器件表现出相对较高的导通电阻(1013 mΩ cm² 和 3534 mΩ cm²)和非理想的传输特性，特征为较低的导通/关断比和较高的关断状态漏电流。这些问题可归因于外延层与衬底之间的漏电流路径；此外，较高的表面粗糙度可能在沟道/栅极绝缘层界面处诱导界面态形成，导致漏电流升高。未来研究将重点优化外延生长工艺以减少表面粗糙度和界面态密度，并采用先进钝化技术抑制寄生导电路径。本研究凸显了 β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 在高压电力电子领域的应用潜力，同时指出了提升器件性能与可靠性的关键改进方向。

图1. SFP β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ MOSFET 的横截面示意图及其制备细节。

图2. (a) XRD ω-2θ 扫描图及摇摆曲线，(b) β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 薄膜的 AFM 图像，(c) β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃ 薄膜的铝/镓含量 SIMS 结果，以及 (d) 该薄膜的硅分布深度剖面图。

DOI：

doi.org/10.1016/j.micrna.2025.208255