AlGaO间隔层对β-氧化镓MOSFET性能的调控机制：载流子浓度与击穿电压的协同优化

（编辑推荐）本研究通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备了(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3异质结MOSFET，揭示Al组分调控对二维电子气（2DEG）的关键作用：低Al组分（x=0.14）使饱和电流（ID,sat）提升168%至7.88 mA/mm，高Al组分（x=0.21）将击穿电压提高188%至576 V，为高性能功率器件设计提供新范式。

　　

Abstract

研究团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）系统在蓝宝石衬底上生长β-Ga₂O₃外延层，并制备横向MOSFET器件。通过引入(Al_xGa_1-x)₂O₃间隔层并调控铝（Al）组分，设计了三组样品：无间隔层的参照组、含(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃和(Al_0.21Ga_0.79)₂O₃的实验组。结果表明，低Al组分可提升2DEG载流子浓度，使饱和电流从2.94 mA/mm增至7.88 mA/mm；而高Al组分（x=0.21）虽略微降低开启电流，但击穿电压从210 V显著提升至576 V，这归因于异质结界面的高能势垒有效抑制了漏电流密度。

1 Introduction

宽禁带半导体β-Ga₂O₃因其8 MV/cm的理论临界击穿电场强度，在能源存储、照明和电子系统中展现出巨大潜力。然而，高导通电阻（R_on）和低击穿电压仍是技术瓶颈。研究团队借鉴AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的设计思路，通过(Al_xGa_1-x)₂O₃/β-Ga₂O₃异质结能带工程诱导2DEG形成，系统探究了Al组分对器件性能的影响机制。

2 Experimental Section

外延生长采用三乙基镓（TEGa）、三甲基铝（TMAl）和氧气（O₂）作为前驱体，通过调控TMAl流量（30/50 sccm）实现不同Al组分。X射线衍射（XRD）分析显示，(Al_0.14Ga_0.86)₂O₃和(Al_0.21Ga_0.79)₂O₃的(201)衍射峰分别偏移至18.99°和19.04°。霍尔测量证实，含间隔层的样品B/C载流子迁移率（4.94/3.06 cm²/V·s）显著高于参照组（1.04 cm²/V·s）。

3 Results and Discussion

电学性能突破：

• 低Al组分优势：样品B（x=0.14）的饱和电流达7.88 mA/mm，比参照组提升168%，导通电阻降至2.50 kΩ·mm

• 高Al组分特性：样品C（x=0.21）击穿电压达576 V，但饱和电流略降至6.35 mA/mm

  能带机制：TCAD模拟显示，(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层导致导带偏移形成量子阱，x=0.21时带隙增至5.64 eV，介电常数降低至9.79，影响载流子输运效率。

4 Conclusion

通过精准调控(Al_xGa_1-x)₂O₃间隔层组分，成功实现性能导向（x=0.14，高电流）与耐压导向（x=0.21，576 V）器件的定制化开发，为β-Ga₂O₃功率器件的应用场景拓展提供关键技术路径。