【会员论文】APL丨武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学、奥地利科学院团队：高性能 HfO₂ 介质栅极锗掺杂 κ-Ga₂O₃ 薄膜晶体管

        由武汉纺织大学何云斌教授联合湖北大学、奥地利科学院的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发表了一篇名为 High-performance HfO₂ dielectric gated Ge-doped κ-Ga₂O₃ thin-film transistors（高性能 HfO₂ 介质栅极锗掺杂 κ-Ga₂O₃ 薄膜晶体管）的文章。

        κ-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，凭借自发极化特性与高耐击穿场强，在下一代功率电子与薄膜晶体管领域极具应用潜力。传统 Si、Sn 掺杂易引入晶格畸变，且常规 c 面蓝宝石外延易产生面内旋转畴与晶界缺陷，显著降低迁移率；同时，传统栅介质静电调控能力弱，难以实现高开关比与增强型工作模式，制约了高性能 κ-Ga₂O₃ 晶体管的发展。目前，结合 Ge 掺杂稳定相结构、斜切衬底优化外延质量，并采用 HfO₂ 高 k 介质提升栅控能力的一体化研究仍较为缺乏，尚未形成可重复、高性能的增强型晶体管制备方案。

        正交相 κ-Ga₂O₃ 凭借超宽禁带与高耐击穿场强成为下一代功率电子器件的理想候选材料。该团队采用脉冲激光沉积法，在 c 面蓝宝石、6° 斜切 c 面蓝宝石（6°/c面蓝宝石）与 MgO (100) 衬底上制备 Ge 掺杂 Ga₂O₃ 薄膜作为有源沟道，构建薄膜晶体管（TFT）。引入 Ge 元素用于稳定 κ 相并将载流子浓度调控至 10¹⁶–10¹⁷ cm⁻³ 范围。采用 HfO₂ 作为高 k 栅介质、Ti/Au 作为源 (漏) 欧姆接触，制备顶栅 TFT。结构分析表明衬底选择至关重要：MgO (100) 易形成 β-Ga₂O₃，而蓝宝石更易获得 κ-Ga₂O₃。6°/c面蓝宝石衬底上可制备缺陷极少的光滑薄膜，实现最优载流子浓度（3.98 ×10¹⁷ cm⁻³）与 3.95 cm² V⁻¹ s⁻¹ 的霍尔迁移率峰值。对应 TFT 呈现优异的增强型特性，阈值电压 2.6 V，亚阈值摆幅 1.48 V/dec，开关比高达 7.16 ×10⁵。TCAD 模拟显示理论击穿电压 298 V，主要受栅极边缘电场聚集限制。该工作证实 Ge 掺杂与 6°/c面蓝宝石衬底的协同策略可制备高质量 κ 相 Ga₂O₃:Ge，适用于高性能功率电子器件。

        •通过 Ge 掺杂与 6° 斜切蓝宝石衬底实现高性能增强型 κ-Ga₂O₃:Ge 薄膜晶体管。

        •利用 Ge 掺杂实现 κ-Ga₂O₃ 相稳定与载流子浓度调控。

        •在 6°/c面蓝宝石上获得低缺陷、表面光滑的 κ-Ga₂O₃:Ge 薄膜，迁移率显著提升。

        •实现顶栅 TFT，开关比高达 7.16 ×10⁵，阈值电压为 2.6 V。

        •通过 TCAD 模拟揭示以栅极边缘电场聚集为主的击穿机制。

        该团队系统研究了 Ga₂O₃:Ge 薄膜在三种不同衬底上的结构与电学性能，阐明了异质外延衬底工程对超宽禁带半导体器件性能的决定性调控作用。结果表明，在 6°/c面蓝宝石上生长的 κ-Ga₂O₃:Ge 薄膜具有更优的表面平整度与更高的载流子迁移率。基于 6°/c面蓝宝石的器件性能大幅提升，饱和场效应迁移率达 13.7 cm² V⁻¹ s⁻¹，开关比高达 7.16 ×10⁵。尽管器件亚阈值摆幅仍偏高，但通过优化界面工程可实现进一步提升。本研究提出一种简便高效的策略，通过引入 Ge 掺杂与 6°/c面蓝宝石衬底，显著提升 κ-Ga₂O₃ TFT 的迁移率与综合性能。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant Nos. 62274057、11975093、52202132）、中德 mobility 项目（Grant No. M-0764）、湖北省国际科技合作项目（Grant No. 2025EHA006）与武汉市科技创新局项目（Grant Nos. 2024040801020306、2025011202030396）资助。

图 1. 在三种衬底（MgO、c面蓝宝石、6°/c面蓝宝石）上生长的 Ga₂O₃ 薄膜的 XRD 图谱：(a) θ–2θ 扫描与 (b) 摇摆曲线；在 (c) c面蓝宝石与 (d) 6°/c面蓝宝石上生长的 κ-Ga₂O₃ 薄膜 (134) 晶面的 XRD 极图。

图 2. 6°/c面蓝宝石上 κ-Ga₂O₃:Ge 薄膜的 XPS 图谱：(a) 全谱，(b) O 1s、(c) Ge 3d 与 (d) Ga 3d 高分辨谱。

图 3. 在 (a) MgO、(b) c面蓝宝石与 (c) 6°/c面蓝宝石三种衬底上生长的 Ga₂O₃:Ge 薄膜表面 AFM 图；(d) RMS 粗糙度对比；(e) 6°/c面蓝宝石器件的截面 SEM 图与 (f)–(h) EDS 元素分布图。

图 4. 在三种衬底（MgO、c面蓝宝石、6°斜切c面蓝宝石）上生长器件的电学性能图：(a)、(d)、(g) I_DS–V_DS 曲线；(b)、(e)、(h) I_DS–V_GS 曲线；(c)、(f)、(i) I_DS (g_m)–V_GS 曲线。

图 5. (a) 器件临界击穿电场分布与 (b) 理论击穿电压图。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0331423