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。
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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。
来源：宽禁带半导体教育部重点实验室
