蓝宝石基异质外延α-Ga2O3 MOSFET的新欧姆接触增强了耐压特性

来自韩国的研究人员声称，已经为异质外延Ga₂O₃ MOSFET的击穿电压开辟了新的领域。Soongsil大学、韩国陶瓷工程技术研究所和韩国电工技术研究所的团队制造的晶体管能够阻断高达2.3 kV的电压。

该团队将其MOSFET的破纪录击穿电压归因于源极和漏极电极的新金属叠层，即Ti/Al/Ni/Au。

Soongsil大学的团队发言人Geonwook Yoo告诉化合物半导体，除了新的金属叠层之外，记录的击穿电压可能是由于用于形成HfO₂ 栅极电介质的相对较高的温度造成的。“它不仅成功地减少了表面泄漏路径，而且还减少了粗糙硅掺杂α-Ga₂O₃层引起的散射效应。”

α-Ga₂O₃ MOSFET形成在蓝宝石上。有人认为，通过避免使用天然衬底，MOSFET不会因该基础的低热导率而受损。转换到c-plane蓝宝石通过优异的导热性改善了热管理，同时提供了一个平台，与Ga₂O₃相比，该平台的热系数和晶格常数差异很小。

α-Ga₂O₃ MOSFET的生产涉及HVPE，该生长技术为大批量生产提供了许多优点，包括在相对较低的温度下快速沉积。

Yoo和他的同事通过将2英寸（0001）蓝宝石装入HVPE室中，将其加热至470 并生长0.9µm未掺杂的α-Ga₂O₃，然后在10分钟内制备0.3µm硅掺杂的α-Ga₂O₃。所涉及晶体管的制造：反应离子蚀刻以形成约500nm厚的台面结构；通过电子束蒸发、图案化、剥离和快速热退火引入源极和漏极；以及通过原子层沉积添加20nm厚的HfO₂栅极电介质，该电介质被Ni/Au堆叠覆盖。该团队还用传统的Ti/Au源极和漏极电极制作了一个对照。

根据对源极和漏极电极的原子力显微镜扫描，新叠层比传统叠层粗糙得多，均方根粗糙度值从约1.1nm增加到11nm。这归因于快速热退火期间Ni-Al合金的聚集。

通过传输线测量，研究小组提取了接触电阻值。将电极从Ti/Au切换到Ti/Al/Ni/Au，将接触电阻从1.9 kΩmm降至0.2 kΩmm。

低接触电阻甚至出现在具有低硅掺杂水平的α-Ga₂O₃层中，这是由于快速热退火期间铝扩散到钛层中造成的。所得Ti-Al金属间相导致在α-Ga₂O₃和金属间化合物之间的界面处产生许多氧空位。

对该团队的MOSFET进行的电气测量表明，新的栅极堆叠导致显著更高的导通电流。对于这两种类型的器件，截止电流受到通过未掺杂的α-Ga₂O₃层的泄漏，而不是通过栅极氧化物泄漏的限制。具有新栅极堆叠的MOSFET具有20.4 cm2 V-1 s-1的场效应迁移率，创造了异质外延Ga₂O₃ MOSFET的记录。

Yoo及其同事还进行了三次终端断开状态击穿电压测量，研究栅极至漏极距离为22µm、18µm和14µm的MOSFET。他们发现击穿电压随着距离的增加而增加达到2320V，表明临界场为1 MV cm^-1。

该团队的计划之一是继续开发用于6英寸或更大衬底直径的异质外延生长技术。另一个目的是推进MOSFET设计，引入场板和钝化层等。这些改进应提高阻断电压并提高功率的品质因数。

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