阿卜杜拉国王科技大学李晓航教授等人发表了题为 Lateral Semiconductor−Free-Space Gate Transistors 的工作于Nano Letters期刊上。

本文介绍了一种新型的横向半导体-自由空间栅极晶体管（SFGT），该晶体管用半导体-自由空间栅极配置取代了传统的固体介质，具有亚100纳米的鳍通道和双侧栅极。这是首次在宽带隙和超宽带隙半导体中实现自由空间栅极性能，其性能与氧化物栅极晶体管相当。使用β-Ga₂O₃制备的SFGT展现出低于200 mV/dec的亚阈值斜率、超过250 mA/mm的高漏极电流、小于230 mV的滞后、超过10⁶的ION/IOFF比以及超过500 V的击穿电压。自由空间栅极结构不仅提供了对栅极区域的直接访问，便于外部电场调制和阈值电压调节，还减少了传统介质中电荷和陷阱态的不利影响。这些结果表明SFGT在未来的存储器、传感器和功率应用中具有潜力。

背景

场效应晶体管（FET）是现代技术的基本组成部分，广泛应用于微处理器、存储模块和传感器等设备中。传统的金属氧化物半导体（MOS）FET通过在氧化物介质中生成电场来调节半导体通道的导电性。然而，介质中的电荷和陷阱态会对器件性能产生不利影响，尤其是在极端环境下，如高辐射或高温。近年来，随着对电子设备需求的增加，新型器件架构和材料不断涌现，以满足高压、高频和逻辑应用的需求。

主要内容

本文提出了一种新型的横向晶体管架构——半导体-自由空间栅极晶体管（SFGT）。该器件采用亚100纳米的鳍通道和双侧栅极，取代了传统的固体介质，实现了与氧化物栅极晶体管相当的性能。SFGT的核心优势在于其自由空间栅极结构，这种结构不仅提供了对栅极区域的直接访问，便于外部电场调制和阈值电压调节，还减少了传统介质中电荷和陷阱态的不利影响。通过使用β-Ga₂O₃作为半导体材料，SFGT展现出优异的电学性能，包括低亚阈值斜率、高漏极电流、低滞后和高击穿电压。此外，通过原子层刻蚀（ALE）技术，研究团队成功减少了界面陷阱态，进一步提升了器件性能。

实验细节概括

实验中，研究团队首先在商业可用的半绝缘Fe掺杂β-Ga₂O₃（010）衬底上，通过脉冲激光沉积（PLD）技术生长了150纳米的Si掺杂（载流子浓度约5×101⁸ cm⁻3）β-Ga₂O₃和200纳米的非故意掺杂（UID）β-Ga₂O₃薄膜。通过电子束光刻和光刻技术，结合干法刻蚀，制备了具有约100纳米沟槽宽度、1微米通道长度和低于100纳米鳍宽度的结构。为了减少接触电阻，研究团队在源漏（SD）区域选择性生长了n+Ga₂O₃，并通过光刻技术定义了两个侧栅极和SD欧姆接触。通过ALE技术，研究团队去除了约9纳米的Ga₂O₃，以增强表面质量。