【会员论文】APL丨西交大张国和教授联合西电郝跃院士、马晓华教授团队：拉曼热成像技术揭示多鳍β-Ga₂O₃鳍式场效应晶体管的电热串扰

        由西安交通大学张国和教授联合西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为Electro-thermal crosstalk revealed by Raman thermography in multi-fin β-Ga₂O₃ FinFETs（拉曼热成像技术揭示多鳍 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管的电热串扰）的文章。

        由于具备优异的本征特性，β-Ga₂O₃ 已成为下一代大功率电子器件应用中极具发展前景的材料。其本征特性包括 4.8 eV 的宽直接带隙、8 MV/cm 的超高临界电场、250-300 cm²/(V・s) 的中等载流子迁移率、1.8-2×10⁷ cm/s 的高电子饱和速度，以及较高的理论巴利加优值。尽管基于不同的临界电场估算值，巴利加优值的绝对值会有所差异，但普遍认为其约为硅材料的 3444 倍。此外，β-Ga₂O₃ 的生长技术发展相对成熟，可在 10¹⁶-10¹⁹ cm^-3 的宽浓度范围内实现可控的 n 型掺杂。通过熔体生长法制备的高质量、低成本体衬底的问世，也为制造高性价比、高性能的晶体管创造了独特机遇。这一优势直接解决了碳化硅和氮化镓相关的高制造成本问题，从而为器件技术的发展及其潜在的大规模商业化铺平了道路。

        β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管因具有超宽禁带和高击穿场强，在大功率电子应用中极具潜力。为克服单鳍器件本征的电流能力受限问题，研究人员采用多鳍结构来提高总导通电流。然而，转移特性测试表明，当鳍的数量增加 16 倍时，漏极电压为 10 V 时的饱和电流仅从 0.112 mA 升至 1.22 mA，远低于预期的线性缩放规律，且在高栅极电压下出现过早的电流退化现象。该偏差表明，在高密度排列的鳍阵列中存在显著的自热效应和电热耦合现象。此外，在高功率工作条件下，器件的温升和电流响应均出现明显的非线性特征，进一步证实了器件性能退化由热效应主导。在单鳍电流相同的条件下，拉曼热成像技术检测发现，多鳍器件的峰值温度（70.77 ℃）远高于单鳍器件（28.8 ℃），证实了多鳍结构中存在严重的热串扰。这些研究结果阐明了 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管电流非理想缩放的热学成因，也为该器件的热感知三维设计提供了关键参考依据。

        • 将亚微米分辨率拉曼热成像与电学测试结合，在等单鳍功耗条件下实现 β-Ga₂O₃ 多鳍 / 单鳍 FinFET 的空间温度精准表征，还校准选定高灵敏度拉曼测温模式并考虑应力对测温的影响，提升了热表征准确性。

        • 构建适配 β-Ga₂O₃ 的电热紧凑模型，首次定义电流缩放效率 φ(N) 和提取有效迁移率 - 温度指数 m_eff≈14，实现了对该类器件热致电流退化和电流非理想缩放的定量评价。

        • 系统揭示了低且各向异性的热导率与高密度鳍阵列几何约束引发的热串扰，是 β-Ga₂O₃ 多鳍 FinFET 电流非理想缩放的核心热学成因，并提出适度减鳍数、优化三维布局的器件设计优化方向。

        本研究结合电学表征和三维拉曼热成像技术，对斜鳍型 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管的电热特性展开了研究。结果表明，与单鳍器件相比，多鳍结构虽能提高总导通电流，但电流提升幅度远低于比例缩放预期，且伴随过早的电流饱和现象。在单鳍功耗相同的条件下，拉曼成像检测显示，16 鳍阵列器件的峰值温度达 70.77 ℃，而单鳍器件仅为 28.8 ℃，这表明高密度排列的鳍结构中存在强烈的热耦合效应，且热扩散效率低下。结合电热紧凑模型分析，实验得到了较大的迁移率 - 温度指数（m≈14）和降低的电流缩放效率 [φ(16)≈0.68]，这证明自热效应和热串扰从根本上限制了器件的电流缩放能力。因此，合理控制鳍的数量、优化三维器件布局，将是研发下一代高性能 β-Ga₂O₃ 大功率器件的关键。

        本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62474133、62374174、U2241220）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号：2025A1515011176）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：QTZX23019）的资助。

图1. (a) 斜鳍型器件的三维结构示意图；(b) 实验装置实物图；(c) 单鳍器件的扫描电镜图像；(d) 鳍阵列结构多鳍器件的扫描电镜图像。

图2. (a) 制备的单鳍 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管的光学显微图像；(b) 制备的多鳍 β-Ga₂O₃ 鳍式场效应晶体管的光学显微图像；(c) 单鳍器件的转移特性曲线；(d) 多鳍器件的转移特性曲线。

图3. 25 ℃至 250 ℃范围内 β-Ga₂O₃ 的拉曼光谱图，展示了不同的振动模式及其峰位变化。

图4. (a) 和 (d) 多鳍与单鳍器件的激光探测位置（相邻探测点间距为 2 μm）；(b) 和 (e) 对应局部温升的拉曼光谱峰位偏移图；(c) 和 (f) 多鳍与单鳍器件的提取温度分布及拟合结果；(g) 用于工艺计算机辅助设计电热仿真的器件结构模型；(h) 仿真得到的晶格温度分布。

图5. (a) 多鳍和单鳍器件的实测温升 - 功耗关系图，显示高功耗下的非线性特性；(b) 由温升 - 功耗关系提取的器件热阻变化图，显示高功耗下热阻急剧上升。两幅图中，数据点为多次测量的平均值，误差棒代表测量值的标准偏差。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0314116