Si掺杂β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ MESFETs的制备与性能研 ...

近日，美国海军研究实验室及多所高校联合团队在期刊《APL Electronic Devices》发表研究，成功开发了基于超宽禁带（UWBG）β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃沟道的金属-半导体场效应晶体管（MESFETs），验证了在低成本、高质量β-Ga₂O₃衬底平台上构建下一代功率电子器件的潜力。该器件实现了约10⁵的开关比，最高击穿电压达858 V，并揭示了合金沟道严重的自热效应。

研究背景

随着对更高效率和高功率电子器件需求的不断增加，超宽禁带（UWBG）半导体因其高临界电场强度（EC）而备受关注。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为其中的代表，因其优异的材料特性以及可由熔体法生长的高品质单晶块体衬底而极具吸引力。

此外，将β-Ga₂O₃与Al₂O₃合金化形成的β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃，其带隙可调范围达4.8至7 eV，进一步拓宽了应用潜力。然而，由于合金的无序散射，β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃沟道的热导率远低于β-Ga₂O₃，这对其器件级热管理提出了严峻挑战。

图文解读

1.器件结构与外延生长

图1 器件截面示意图与界面显微图像

本研究利用闭注入喷淋头金属有机化学气相沉积（CIS-MOCVD）技术，在Fe掺杂的(010) β-Ga₂O₃衬底上制备了Si掺杂β-(Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃与无意掺杂（UID）β-Ga₂O₃薄膜。为了比较，团队制造了栅极凹槽（gate-recessed）与非凹槽（non-recessed）两种MESFET结构。高分辨透射电子显微镜（HRSTEM）及能量色散X射线光谱（EDX）分析显示，在Ti/Au欧姆接触与β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃界面处存在明显的同质外延界面互扩散，导致形成约400–450 nm深的磷（P）浓度尖峰，这可能是导致漏电流的原因。

2. 直流电特性对比

图2 非凹槽与凹槽MESFETs的转移特性和输出特性

实测显示，两种结构的MESFETs均展现出约10⁵的开关比（on/off ratio）。其中，非凹槽MESFETs具有更高的饱和漏电流（26 mA/mm），而栅极凹槽结构的漏电流较低（15 mA/mm）。值得关注的是，栅极凹槽结构实现了更好的沟道电导调制，其阈值电压相比非凹槽结构正向偏移了+8 V。在击穿特性上，测得凹槽与凹槽结构的最大击穿电压分别为730 V与858 V，但器件的关态漏电流较大（>5 nA），表明沟道边缘可能存在电场拥挤问题。

3. 热学特性与自热效应

图3 稳态热反射成像（TI）测量的温度分布

由于β-(Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃合金沟道的热导率预计远低于β-Ga₂O₃，研究团队利用热反射成像（TI）技术评估了器件级的热性能。在直流功率密度为0.58 W/mm（VGS = 0 V）的条件下，测得平均栅极温度上升达54 K。这一显著的自热效应由较低的合金热导率引起，与β-Ga₂O₃基器件相比，温度上升了约80%。

结论与展望

（1）成功演示了具有Si注入源/漏接触的UWBG β-(Al₀.₂₁Ga₀.₇₉)₂O₃沟道MESFETs，开关比约10⁵。
（2）非凹槽MESFETs实现最大击穿电压858 V，但漏电流较大；栅极凹槽结构有效提高了阈值电压并降低了漏电流，但牺牲了饱和电流。
（3）热电学表征证实了显著的器件自热效应（54 K），在未来的高功率应用中必须集成热管理策略以抑制自热导致的性能退化。

未来工作方向包括：在绝缘衬底上生长掺杂β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃薄膜以消除寄生沟道、开发工艺以改善欧姆接触、集成场管理技术提升击穿性能，以及探索更高铝含量的β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃沟道材料。

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