氧化镓MOSFET：界面为何至关重要

得益于超宽禁带特性以及原生衬底的可用性，β-Ga₂O₃正从一种令人关注的实验室材料，逐步成为下一代功率电子领域一个值得认真对待的技术选项。对于致力于这一目标的研究人员和技术人员来说，核心问题已不再是氧化镓沟道晶体管有没有科学价值，而是它能不能、以及多快能变成一个可靠、可量产的器件平台，真正满足实际应用和认证的要求。

目前氧化镓MOSFET还处于相当早期的阶段。阈值电压经常跑偏到零值以下，亚阈值摆幅远高于热极限，公开的可靠性数据也不多。不过这些问题都不是根本性的。它们反映的只是一项技术处于早期发展阶段的正常状态——沟道材料的进步跑在了前面，界面和栅叠层的优化还没跟上。

氧化镓现在遇到的很多问题，其实并非没有先例，也不是没有解决办法。翻翻以前的期刊论文，往往能给当下的研发提速。做Ga₂O₃ MOSFET的人回头看看早期GaAs MOSFET的工作，能从中学到不少东西——当年那批人花了很多精力在界面控制、栅叠层化学和电荷管理上。从那些先驱性的论文里可以看到，高性能的MOS器件是能够实现的，虽然当时并没有形成大规模产业化所需的市场需求。

MOS界面：一个绕不开的老问题

每当有人提出用某种新材料做MOSFET沟道，关注点很快就会从材料本身的特性转到栅极界面上。这个转向很自然。界面之所以关键，是因为它是晶体半导体和非晶介质之间的过渡带，这个过渡几乎必然会带来电子缺陷态，结果就是静电特性变差、可变性增加、可靠性也更难保证。

回头看硅MOSFET的发展史就能明白，能不能把这个界面控制好，往往决定了一种材料到底只能停留在演示阶段，还是能真正走向应用。氧化镓现在就站在这个拐点上。很多已报道的β-Ga₂O₃ MOSFET亚阈值摆幅偏大，阈值电压也不稳定，看起来像是栅介质界面附近发生了明显的电荷俘获。

晶体生长、衬底供应和掺杂控制这几块都取得了不小的进步，但界面工程的进展明显没跟上，这个节奏跟当年化合物半导体发展早期很像。

图：标准栅介质筛选方法与亚阈值摆幅评估的对比示意。

标准栅介质筛选方法可探测硅基器件中几乎整个带隙范围内的缺陷/陷阱能级（左）。相比之下，对于Ga₂O₃基器件（右），中带隙附近宽能级范围内的陷阱/缺陷态无法被检测到。因此，介质陷阱态密度将被低估。这就是为什么在Ga₂O₃ MOSFET中，亚阈值摆幅是评估介质筛选效果更优指标的原因。

GaAs MOSFET研究留下的经验

上世纪90年代末到2000年代初，GaAs MOSFET曾因为载流子输运性能出色，被广泛研究用于射频和逻辑芯片。但这种材料也有一个众所周知的麻烦——表面化学不好搞，历史上一直限制着MOS器件的性能。后来通过那段时间的集中攻关，大家发现这些问题不是根本性的。

那时候的一个重要突破是做出了化学兼容的非晶栅叠层。方法是引入超薄氧化镓基中间层，再搭配精心选出来的三元钆基高k介质，最终做出的GaAs MOSFET界面态密度低、亚阈值摆幅接近理想值、阈值电压为正。关键是这些改进在实际工艺中能保持住，不只是实验室里昙花一现。

当然，这些高度工程化的GaAs MOSFET最后并没有大规模量产。原因不是性能不达标，而是当时的系统级需求和其他器件技术更匹配，成本结构也不支持。但技术上的积累——尤其是界面控制方面的经验——对今天的超宽禁带器件仍然有直接的参考价值。

对于做氧化镓器件的人来说，早期GaAs MOSFET开发里有一个发现值得注意：适当选型的三元钆基高k材料，用在Ga₂O₃上做优化沉积，潜力不小。更广义的启示是，应该花心思去找那些专门针对Ga₂O₃做过化学兼容性设计的非晶介质，而不仅仅是做点表面处理、然后叠上常规介质完事。后一种做法虽然也能有点效果，但很可能达不到增强型稳定操作、低器件离散性和偏压下够用的寿命所需要的界面控制水平。

换一种思路，做更根本性的栅叠层工程，再配合适当的中间层，有望系统地抑制界面陷阱的产生，而不是事后去弥补它的影响。这对超宽禁带半导体特别重要，因为深能级陷阱响应慢、恢复时间长，从器件物理和可靠性认证的角度看，这两种做法的区别很大。

亚阈值摆幅：一个更实用的判断指标

在氧化镓MOSFET里，亚阈值摆幅是用来评估界面质量特别好用的一个指标。宽禁带和超宽禁带材料里很多电活性态都藏在带隙深处，传统的电容法测不到——那些方法本来就是为硅MOS的氧化物筛选设计的，参考图1就明白了。而亚阈值摆幅不一样，它能反映出这些态对沟道形成和静电控制的整体影响。

所以，氧化镓器件往前走的一个关键信号，就是亚阈值摆幅能不能收敛到更低、更稳定的数值。从应用角度看，这个指标的改善直接关系到阈值电压稳不稳、器件之间一不一致，最终决定了能不能量产。

器件架构也有影响

除了栅极材料，器件架构同样重要。当年开发GaAs MOSFET的时候，有人用异质结沟道把载流子和氧化物界面在空间上隔开，减少了两者之间的相互作用。现在做氧化镓的人也借鉴了这个思路，用含铝或含铟的氧化物合金来做类似的“薄隔离层”。

当然异质结构的材料挑战不小，但如果能做成，它跟栅叠层的优化可以形成互补，相当于放宽了对界面的要求，给氧化镓器件的设计留出了更大的空间。

离真正能用还有多远

一个有前景的研究器件要做到真正能用，光看性能指标是不够的。越接近实际部署，越要考虑器件之间的离散性、偏压下的稳定性、应力下的耐受性、晶圆上的可重复性——这些全跟界面质量绑在一起。

短期来看，氧化镓MOSFET如果有机会先落地，比较可能在电网级电力设施、固态保护、脉冲功率系统，以及一些特定的工业或航天平台上。这些场景不追求大批量，但要求对栅叠层的可靠性有足够把握，热管理得跟上，实际工况下的长期稳定性得经得起检验。在这些领域走通，将是迈向应用的重要一步，让氧化镓在高电压场景里成为一个值得考虑的超宽禁带选项，也为后续更大范围的应用打个底。

回头看看GaAs MOSFET走过的路就能明白，在化合物半导体上做出高质量的MOS界面是可行的，关键是要把化学、结构和工艺放在一起通盘考虑。氧化镓MOSFET往前走，也可以从这些经验里借力，利用好在Ga₂O₃上沉积钆基高k介质的研究积累，再合理搭配异质界面的使用。

来源：本文基于格拉斯哥大学Iain Thayne在Compound Semiconductor网站发表的技术文章编译整理

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