氧化镓（Ga2O3）作为超宽禁带半导体材料的代表，其具有超宽的禁带宽度（4.9 eV）和超高的临界击穿场强（8 MV/cm），被认为是制备下一代大功率、高效率及低功耗电力电子系统极具希望的半导体材料。此外，经研究发现β-Ga2O3还表现出高达2×107 cm/s的电子饱和速度，其约翰逊优值(2844)较SiC和GaN更高。因此，它在射频器件领域具有重要的应用潜力，探索研究氧化镓基射频功率器件具有重要意义。
然而，在实际射频应用中，需要考虑控制电路和功耗问题。因此，迫切需要增强型器件来简化射频拓扑电路，降低静态功耗。由于器件设计与工艺方面的不足，目前国际上报道的氧化镓基增强型MOSFET的性能仍然很差。这些增强型器件在射频性能方面仍存在诸多不足，最主要的限制因素为器件工艺对沟道电子浓度和沟道迁移率的负面影响。所以，改进器件设计和制备工艺，有效提升沟道迁移率对增强型Ga2O3基射频 MOSFET非常重要。
西安电子科技大学马晓华教授研究组创新性地提出了一种准二维高迁移率沟道增强型β-Ga2O3 MOSFET结构。并引入低损伤刻蚀技术形成凹槽栅结构，将重掺杂沟道厚度缩小至几个纳米，减小了垂直方向上的电子散射，有效提高了沟道迁移率。同时使用重掺杂材料作为沟道层，使得器件具有较小的导通电阻和较低的欧姆接触电阻，从而展现出优异的射频性能。该研究成果以“Quasi 2D high mobility channel E-mode β-Ga2O3 MOSFET with Johnson FOM of 7.56 THz·V”为题，发表在国际知名期刊《Applied Physics Letters》上。2021级博士研究生王羲琛为本文第一作者，马晓华教授、陆小力教授、何云龙副教授为论文共同通讯作者。
图1 器件结构示意图及扫描电镜图像
研究表明，器件的制备过程包括在栅下区域进行低损伤刻蚀，刻蚀深度为295 nm。研究组采用分步刻蚀的方法，利用O2等离子体对器件的刻蚀损伤进行修复，氧等离子体在电离过程中产生大量的氧离子，而Ga2O3材料中存在的氧空位可以通过这些氧离子得到补充。AFM图像显示刻蚀前后材料表面粗糙度变化量小于0.15 nm，表明了刻蚀过程中引入了较低的损伤，降低了电离杂质散射的影响，从而保证了器件具有较高的迁移率。
图2 器件输出特性、转移特性、热稳定性及击穿特性
通过CV曲线计算得到器件场迁移率为147.5 cm2/(V·s)，优异的器件迁移率使其具有良好的射频特性，器件峰值跨导高达54.2 m S/mm。优异的迁移率是跨导较高的原因之一，这也与器件的转移特性相吻合。
图3 器件CV曲线及器件迁移率随载流子浓度变化规律
此外，从仿真结果中也显示出不同沟道厚度器件的迁移率和射频特性。沟道厚度较小的器件性能较好，与实验结果一致，为实验提供了理论支持。尤其当栅下区域的沟道厚度减小到纳米量级时，垂直方向上的电子散射在一定程度上可以忽略，从而实现了类似于2DEG的准二维沟道，有效提高了器件的沟道迁移率，改善了器件的射频特性。
图4 迁移率仿真结果、器件小信号特性、去嵌结构及约翰逊优值图
在器件的小信号特性方面，器件的fT和fMAX分别为18 GHz和42 GHz。约翰逊优值 fT×VBK为7.56 THz·V，达到了国际已知的氧化镓增强型MOSFET器件的最高值。这一结果为β-Ga2O3 基MOSFET在未来射频功率电子器件中的应用奠定了基础。
该研究得到国家宽禁带半导体器件及集成技术重点实验室开放项目、中央高校基础研究经费、辐射应用国家创新中心的资助。
