突破7kV高压极限的源场板β-(AlxGa1-x)2O3 MOSFET器件研究

为解决β-Ga2O3材料热导率低和带隙可调性受限的问题，研究人员通过MOCVD技术制备了源场板(SFP)结构的β-(Al0.14Ga0.86)2O3 MOSFET。该器件采用T形栅和SFP设计，实现了7.2 kV超高击穿电压和3534 mΩ·cm2的导通电阻，功率优值达14.7 MW/cm2，为下一代超宽禁带半导体功率器件发展提供了新思路。

　　

在功率电子器件领域，β相氧化镓(β-Ga₂O₃)因其8 MV/cm的超高临界击穿电场和优于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的巴利加优值(BFOM)备受关注。然而，这种材料的先天缺陷——仅2.8 W/(m·K)的热导率和固定4.9 eV的带隙，如同戴在研究者头上的"紧箍咒"，严重制约了其在高温高频场景的应用。更棘手的是，传统场效应晶体管(MOSFET)结构在高压下出现的电场集中效应，往往导致器件提前击穿。如何打破这些桎梏？β相镓铝氧合金(β-(Al_xGa_1-x)₂O₃)的能带可调特性为破局提供了可能。

中国科学院半导体研究所的研究团队在《Micro and Nanostructures》发表的研究中，创新性地将源场板(Source-Field-Plated, SFP)结构与T形栅结合，在Fe掺杂半绝缘β-Ga₂O₃衬底上，通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长出150 nm β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃外延层和30 nm Ga₂O₃缓冲层。X射线衍射(XRD)测试显示薄膜结晶质量优异，摇摆曲线半高宽(FWHM)仅54角秒，表面粗糙度控制在2.3 nm。

关键技术包括：采用MOCVD外延生长Al组分精确控制的β-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜；通过T形栅和SFP结构优化电场分布；基于XRD和原子力显微镜(AFM)的表征手段评估材料质量。

INTRODUCTION
研究指出，通过引入14%的Al组分，β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃的带隙可扩展至5.2 eV，同时保持与β-Ga₂O₃衬底的良好晶格匹配。理论计算表明，这种组分设计可使临界击穿电场提升至8.5 MV/cm。

Device structure and fabrication
器件采用独特的"三明治"结构：在经860℃氧退火处理的衬底上，以三乙基镓(TEGa)和三甲基铝(TMAl)为前驱体，氩气为载气，精确控制Al组分梯度生长。SFP结构通过延伸源极金属覆盖部分栅介质层实现，有效分散高电场区域。

Results and discussion
XRD测试显示β-(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃特征峰位于β-Ga₂O₃(020)峰附近，证实Al组分均匀性。84 μm源漏间距的器件实现7.2 kV击穿电压，功率优值(FOM=BV²/R_on,sp)达14.7 MW/cm²，较同类器件提升约40%。

Conclusion
该研究通过能带工程和电场优化设计，首次实现7 kV级β-(Al_xGa_1-x)₂O₃ MOSFET。SFP结构使电场峰值降低27%，为开发8 kV以上超高压器件提供了范式。作者Shibin Long等强调，这种设计可推广至更高Al组分的β-(Al_xGa_1-x)₂O₃体系，未来通过热管理优化有望突破10 kV技术壁垒。