氧化鎵（Ga2O3 ）是性能優(yōu)異的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，不僅臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)大、飽和速度高，而且具有極高的 巴利加優(yōu)值和約翰遜優(yōu)值，在功率和射頻器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。本文聚焦于 Ga2O3射頻器件，首先介紹了 Ga2O3在射頻器件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)，然后綜述了近年來(lái) Ga2O3射頻器件在體摻雜溝道、AlGaO/Ga2O3調(diào)制 摻雜異質(zhì)結(jié)以及與高導(dǎo)熱襯底異質(zhì)集成方面取得的進(jìn)展，并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了討論，最后展望了未來(lái) Ga2O3射頻器 件的發(fā)展前景。

0 引言

超寬禁帶半導(dǎo)體的禁帶寬度大于4eV，其臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)高于SiC和GaN，被認(rèn)為是研制下一代超高耐壓電力電子器件和超大功率射頻器件的先進(jìn)電子材料。常見(jiàn)的超寬禁帶半導(dǎo)體有金剛石、氧化鎵（Ga2O3）、氮化鋁（AlN）、氮化硼（BN）等，然而，金剛石、AlN等絕大多數(shù)超寬禁帶半導(dǎo)體的雜質(zhì)激活能較高、摻雜難度大，限制了其在功率和射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展。Ga2O3是目前唯一可以容易實(shí)現(xiàn)高效率n型摻雜的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，雖然起步較晚，但隨著大尺寸單晶襯底制備和n型外延摻雜技術(shù)的日益成熟，近年來(lái)在功率器件領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，其中功率器件的擊穿電壓已超過(guò)10kV，功率優(yōu)值（P?FOM）最高達(dá)13.2GW/cm2，超越了GaN和SiC的理論極限，發(fā)展速度超過(guò)金剛石、AlN等其他超寬禁帶半導(dǎo)體，有望率先實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

在射頻器件領(lǐng)域，與GaN器件相比，由于Ga2O3在禁帶寬度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)上的優(yōu)勢(shì)，Ga2O3射頻器件不僅可在更高場(chǎng)強(qiáng)和更高電壓下工作，大幅度提升輸出功率密度，還可以實(shí)現(xiàn)在高溫、強(qiáng)輻照等極端環(huán)境下的應(yīng)用。由于其飽和速度較高，Ga2O3射頻器件有望與GaN器件一樣獲得較高的截止頻率。Ga2O3的約翰遜優(yōu)值（JFOM）約為GaN的2.6倍，表明Ga2O3在射頻器件領(lǐng)域也具有較大的應(yīng)用潛力。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校（以下簡(jiǎn)稱(chēng)布法羅大學(xué)）等機(jī)構(gòu)已相繼布局開(kāi)展氧化鎵射頻器件的研究。根據(jù)前期研究進(jìn)展，整理出Ga2O3射頻器件發(fā)展技術(shù)路線如圖1所示。2017年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室首次報(bào)道了Ga2O3器件的射頻性能，然而，由于體摻雜Ga2O3溝道較厚，限制了柵長(zhǎng)的進(jìn)一步縮小，此外Ga2O3還存在遷移率低、熱導(dǎo)率低等問(wèn)題，制約了其在射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展。為了抑制器件的短溝道效應(yīng)和提高電子遷移率，2019年和2021年美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)和布法羅大學(xué)分別報(bào)道了δ摻雜和基于AlGaO/Ga2O3異質(zhì)結(jié)調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的Ga2O3射頻器件，頻率性能得到顯著提升。2023年和2024年南京大學(xué)和上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所分別報(bào)道了SiC和金剛石與Ga2O3射頻器件的異質(zhì)集成，器件的飽和電流密度、頻率及功率性能均得到顯著提升。本文圍繞以上技術(shù)發(fā)展路線，主要介紹了氧化鎵射頻器件的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)存在的問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 Ga2O3在射頻器件領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)

表 1 列出了幾種常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的物理參數(shù)， 其中 Eg 為禁帶寬度，Ebr 為擊穿場(chǎng)強(qiáng)，μ 為電子遷移 率，vsat 為飽和速度，λ 為熱導(dǎo)率，ε 為相對(duì)介電常數(shù)。 可以看到 Ga2O3的 禁 帶 寬 度 為 4.8 eV，臨 界 擊穿 場(chǎng) 強(qiáng) 高 達(dá) 8 MV/cm，是 4H?SiC 材 料 的 3.2 倍 ，表 明 Ga2O3在 大 功 率 器 件 領(lǐng) 域 更 具 有 優(yōu) 勢(shì)，不 僅 可 以 提 升電力電子器件的耐壓，還可以提升射頻器件的工 作電壓，從而有望實(shí)現(xiàn)更大的功率。飽和速度是用 來(lái)衡量器件理論頻率性能的重要指標(biāo)，飽和速度越 大，載 流 子 在 溝 道 中 的 渡 越 時(shí) 間 越 短，器 件 的 截 止 頻 率 越 高。Ga2O3的電子飽和速度 為 2×107cm/s， 與 SiC 相 當(dāng)，是 GaN 的 80%，表明 Ga2O3 理 論 上 也 具 備 高 頻 應(yīng) 用 潛 力。BFOM 是衡量功率 器 件 導(dǎo) 通 電 阻 和 擊 穿 電 壓 綜 合 性 能 的 參 數(shù)，正 比 于 遷 移 率， 同 時(shí) 正 比 于 擊 穿 場(chǎng) 強(qiáng) 的 立 方，故 擊 穿 場(chǎng) 強(qiáng) 對(duì) 器 件 BFOM 的 貢 獻(xiàn) 要 遠(yuǎn) 高 于 遷 移 率 ，因 此 雖 然 Ga2O3 的 遷 移 率 遠(yuǎn) 低 于 SiC 和 GaN，但 卻 獲 得 了 更 高 的 BFOM 值 ，達(dá) 到 了 SiC 的 10 倍 。 JFOM 與 材 料 的 擊 穿 場(chǎng) 強(qiáng) 和 載 流 子 的 飽 和 速 度 的 乘 積 有 關(guān)，綜 合 考 慮 了 射 頻 器 件 的 頻 率 和 功 率 特 性，是 衡 量 射 頻 器 件 綜 合 性 能 最 重 要 的 指 標(biāo)。 Ga2O3 的 JFOM 值 為 2844，分 別 是 SiC 和 GaN 的 10 倍 和 2.6 倍， 表 明 Ga2O3 在 射 頻 器 件 領(lǐng) 域 也 具 有 潛 在 的 應(yīng) 用 價(jià) 值。

早在 2017 年，美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）就對(duì) Ga2O3器件的應(yīng)用前景進(jìn)行了研究和分析。他們 認(rèn) 為 ，由 于 Ga2O3 的 飽 和 電 子 速 度 較 大 ，理 論 上 Ga2O3 射 頻 器 件 也 可 以 獲 得 較 高 的 截 止 頻 率。 然 而，由 于 其 熱 導(dǎo) 率 極 低，器 件 將 面 臨 嚴(yán) 重 的 自 熱 效 應(yīng)，限 制 了 其 在 高 頻、高 功 率 下 的 應(yīng) 用。他 們 繪 制 了 幾 種 半 導(dǎo) 體 材 料 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 的 功 率-頻 率 圖，如 圖 2 所示，Ga2O3器件的工作頻率范圍與 SiC 器件 相當(dāng)，但功率有望提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，從 1 kW 提升至 10 kW。

然而，由于短溝道效應(yīng)、遷移率低、熱導(dǎo)率低等 因 素 的 制 約，目 前 Ga2O3 射 頻 器 件 的 電 流 密 度、頻 率、功 率 密 度 等 性 能 指 標(biāo) 仍 然 處 于 較 低 的 水 平，發(fā) 展面臨著高難度的挑戰(zhàn)。

首 先，與 電 力 電 子 器 件 相 比，射 頻 器 件 的 柵 長(zhǎng) 更 短，對(duì) 溝 道 厚 度 和 摻 雜 濃 度 的 精 準(zhǔn) 調(diào) 控 要 求 更 高。GaAs、GaN 射頻器件的成功離不開(kāi)其高遷移率 的 二 維 電 子 氣（Two ? dimensional electron gas， 2DEG）溝道，由于載流子的輸運(yùn)被限制在超薄的 量 子 阱 中，器 件 的 短 溝 道 效 應(yīng) 得 到 有 效 抑 制。而 Ga2O3難以獲得如此高性能的 2DEG 溝道，美國(guó)布法 羅 大 學(xué) 雖 然 通 過(guò) AlGaO/Ga2O3 調(diào) 制 摻 雜 技 術(shù) 獲 得 了 2DEG 溝道，有效抑制了器件的短溝道效應(yīng)，將器 件的截止頻率提升至 30 GHz，但由于 2DEG 的濃度 和 遷 移 率 較 低，器 件 的 電 流 密 度 僅 為 74 mA/mm， 限 制 了 其 在 射 頻 器 件 上 的 應(yīng) 用。目 前 更 多 的 是 采 用 外 延 摻 雜 的 溝 道 ，溝 道 層 厚 度 普 遍 在 50~ 200 nm，縮 短 柵 長(zhǎng) 容 易 產(chǎn) 生 短 溝 道 效 應(yīng)，從 而 降 低 柵對(duì)溝道載流子的調(diào)控能力和器件的頻率特性。

其次，Ga2O3的電子遷移率低，不管是傳統(tǒng)體摻 雜還是調(diào)制摻雜，遷移率普遍低于200cm2/（V?s）， 較 AlGaN/GaN 異質(zhì)結(jié)的 2DEG 遷移率低了一個(gè)數(shù) 量 級(jí)。低 遷 移 率 導(dǎo) 致 器 件 難 以 在 低 電 場(chǎng) 下 獲 得 較 高的電子飽和速度，從而限制了器件的跨導(dǎo)和頻率 性 能 。 此 外 ，低 遷 移 率 還 會(huì) 增 大 溝 道 方 阻 ，目 前 Ga2O3 的 溝 道 方 阻 普 遍 大 于 5 kΩ/sq，是 AlGaN/ GaN 異質(zhì)結(jié)的 10 倍以上，給射頻器件引入了較高的 柵源和柵漏串聯(lián)電阻，從而降低了器件的電流密度和頻率特性。

再 次，射 頻 器 件 不 僅 特 征 尺 寸 小，而 且 功 率 密 度高，如果散熱不好會(huì)導(dǎo)致器件在工作時(shí)結(jié)溫急劇 上 升，飽 和 電 流 和 功 率 發(fā) 生 退 化，因 此 對(duì) 器 件 散 熱 能力有著極高的要求。然而，Ga2O3的熱導(dǎo)率極低， 僅為 10~30 W/（m·K），遠(yuǎn)低于 SiC 和 GaN。隨著功 率密度的提升，散熱已成為 GaN 射頻器件需要進(jìn)一 步解決的問(wèn)題，對(duì)于熱導(dǎo)率更低的 Ga2O3射頻器件， 其 面 臨 的 散 熱 問(wèn) 題 將 更 為 嚴(yán) 峻，嚴(yán) 重 制 約 了 Ga2O3 在射頻器件領(lǐng)域的發(fā)展。

2 基于體摻雜溝道的Ga2O3射頻器件

早期對(duì) Ga2O3射頻器件的研究主要基于傳統(tǒng)體 摻 雜 Ga2O3外 延 材 料，即 在 半 絕 緣 襯 底 上 同 質(zhì) 外 延 體 摻 雜 的 Ga2O3溝 道 層，或 者 通 過(guò) 離 子 注 入 技 術(shù) 在 非故意摻雜 Ga2O3外延層中形成摻雜溝道。體摻雜 的 溝 道 厚 度 普 遍 在 50 nm 以 上 ，當(dāng) 柵 長(zhǎng) 縮 短 至200 nm 以 下 時(shí)，器 件 將 面 臨 嚴(yán) 重 的 短 溝 道 效 應(yīng)，制 約頻率性能的提升。2017 年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室 （ARFL）首次報(bào)道了 Ga2O3器件的射頻性能。采 用 金 屬 有 機(jī) 氣 相 外 延（Metal ? organic vapor phase epitaxy，MOVPE）技術(shù)在（100）晶向半絕緣 Ga2O3襯 底上生長(zhǎng)了一層 180 nm 厚的 Ga2O3溝道層，Si 摻雜 濃度為 1×1018cm-3。由于溝道較厚，采用挖槽技術(shù) 將柵下溝道減薄至 90 nm 左右，并制備了 SiO2介質(zhì) 輔助的 T 型柵，柵長(zhǎng) 0.7 μm，器件結(jié)構(gòu)和性能如圖 3 所 示。柵 下 挖 槽 技 術(shù) 有 效 提 升 了 器 件 柵 長(zhǎng) 與 有 源 層溝道厚度的比值，峰值跨導(dǎo)達(dá)到 21 mS/mm，在柵 壓 VGS=-8 V 時(shí)表現(xiàn)出良好的關(guān)斷特性，開(kāi)關(guān)比達(dá) 到 106 ，表明短溝道效應(yīng)得到了有效抑制。然而，柵 下 挖 槽 增 大 了 溝 道 電 阻，器 件 飽 和 電 流 密 度 僅 為 150 mA/mm。器 件 的 截 止 頻 率 fT 和 最 大 振 蕩 頻 率 fmax分別為 3.3 GHz 和 12.9 GHz，其中 fT較低可能與 介 質(zhì) 輔 助 T 型 柵 引 入 了 較 高 的 寄 生 電 容 有 關(guān)。對(duì) 該 器 件 在 800 MHz 頻 率 下 進(jìn) 行 了 連 續(xù) 波 功 率 輸 出 特 性 測(cè) 試，在 漏 極 偏 置 VDS=25 V 下 的 功 率 密 度 為 230 mW/mm。柵下挖槽技術(shù)有效提升了器件的柵 控 能 力，但 也 降 低 了 飽 和 電 流 密 度。此 外，刻 蝕 過(guò) 程 中 可 能 產(chǎn) 生 刻 蝕 損 傷，引 入 較 高 密 度 的 界 面 態(tài)， 從而影響器件的射頻性能。

2020 年 ，AFRL 直 接 在 65 nm 薄 溝 道 的 Ga2O3 外延材料上研制了 0.5 μm 柵長(zhǎng)的射頻器件，如圖4所示 ，飽 和 電 流 密 度 和 跨 導(dǎo) 分 別 提 升 至 300 mA/mm 和 40 mS/mm，fT 達(dá) 到 了 4.2 GHz。在 1 GHz 頻率下對(duì)器件進(jìn)行了功率輸出性能測(cè)試，脈 沖 模 式 下 輸 出 功 率 密 度 達(dá) 715 mW/mm，然 而 在 連 續(xù)波下僅為 213 mW/mm，表明 Ga2O3射頻器件即使 在低頻和低功率密度下也存在嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，嚴(yán) 重 制 約 了 器 件 的 功 率 性 能。同 時(shí) 也 研 究 了 器 件 的 脈沖 I?V 特性，當(dāng)漏極靜態(tài)偏置電壓為 0 V 時(shí)，器件 的 飽 和 電 流 密 度 達(dá) 到 了 300 mA/mm 以 上，柵 極 靜 態(tài)偏置電壓對(duì)電流的影響不大，但當(dāng)漏極靜態(tài)偏置 電壓增大至 20 V 時(shí)，器件出現(xiàn)了嚴(yán)重的電流崩塌，導(dǎo) 通電阻急劇上升，飽和電流密度下降至 200 mA/mm， 表明漏極應(yīng)力導(dǎo)致了器件的電流崩塌，這也是器件 輸出功率密度低于預(yù)期的主要原因之一。

同年，日 本 國(guó) 立 信 息 通 信 技 術(shù) 研 究 所（NICT） 通過(guò) Si 離子注入技術(shù)在非故意摻雜（Unintentional? ly doped，UID）Ga2O3外延材料上形成了 70 nm 厚的 薄 層 溝 道，Si 摻 雜 濃 度 約 為 4.8×1018cm-3，并 采 用 T 型柵技術(shù)制備了柵長(zhǎng) 50 nm 至 1 μm 的 Ga2O3射頻 器件，器件結(jié)構(gòu)和性能如圖 5 所示。200 nm 柵長(zhǎng) 器件的飽和電流密度 250 mA/mm，由于溝道較厚，閾 值 電 壓 達(dá) 到 了 -24 V，fT 和 fmax 分 別 為 9 GHz 和 27 GHz。對(duì) 不 同 柵 長(zhǎng) 器 件 的 頻 率 特 性 進(jìn) 行 了 對(duì) 比 和分析，當(dāng)柵長(zhǎng)（L G）大于 200 nm 時(shí)，頻率性能隨著 柵長(zhǎng)的縮短而增大并達(dá)到飽和，進(jìn)一步縮短?hào)砰L(zhǎng)至 200 nm 以 下 時(shí) ，頻 率 性 能 反 而 出 現(xiàn) 了 下 降 ，表 明 200 nm 以下柵長(zhǎng)的器件面臨著嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)， 限制了器件頻率性能的提升。因此，溝道厚度決定 了 Ga2O3射 頻 器 件 的 最 小 柵 長(zhǎng)，要 獲 得 高 的 頻 率 特 性，溝道厚度需要隨柵長(zhǎng)的縮短而等比例減薄。

2023 年，美國(guó)布法羅大學(xué)也報(bào)道了 60 nm 薄溝 道 的 Ga2O3 射 頻 器 件 ，溝 道 摻 雜 濃 度 為 9.2× 1017cm-3，器 件 采 用 了 20 nm 厚 的 SiO2 柵 介 質(zhì) 和 175 nm 柵長(zhǎng)的 SiN 介質(zhì)輔助 T 型柵，器件結(jié)構(gòu)和性 能如圖 6 所示。該器件電流密度 285 mA/mm，閾 值電壓僅為-4 V，未出現(xiàn)明顯的短溝道效應(yīng)，跨導(dǎo) 52 mS/mm，擊穿電壓高達(dá) 192 V，對(duì)應(yīng)的擊穿場(chǎng)強(qiáng) 達(dá)到 5.4 MV/cm，fT和 fmax分別為 11 GHz 和 48 GHz， 表 現(xiàn) 出 優(yōu) 異 的 直 流 和 頻 率 特 性。由 于 采 用 介 電 常 數(shù)相對(duì)較高的 SiN 介質(zhì)對(duì) T 型柵進(jìn)行了保護(hù)，增大 了器件的柵源和柵漏寄生電容，導(dǎo)致器件的 fT較低。 由 于 其 單 指 柵 寬 僅 為 20 μm，大 幅 度 降 低 了 器 件 的 柵阻，從而獲得了較高的 fmax。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也逐步開(kāi)展了氧化鎵射頻器件的研究。2020 年，河北半導(dǎo)體研究所也報(bào)道了基于 體 摻 雜 溝 道 的 Ga2O3 射 頻 器 件 ，其 材 料 結(jié) 構(gòu) 包 含 （010）晶向半絕緣 Ga2O3襯底、500 nm UID Ga2O3緩 沖層以及 200 nm 厚的溝道層。由于外延較厚，為 了提升器件的柵控能力和降低器件的關(guān)態(tài)漏電，開(kāi) 發(fā) 了 柵 下 氧 氣 退 火 技 術(shù)，有 效 抑 制 Ga2O3緩 沖 層 中 的背景載流子濃度，提升了器件的關(guān)斷特性和頻率 性 能 。 1 μm 柵 長(zhǎng) 的 Ga2O3 器 件 的 飽 和 電 流 密 度 200 mA/mm，fT和 fmax分別達(dá)到 1.8 GHz 和 4.2 GHz。 在 1 GHz 頻率下進(jìn)行了功率輸出性能測(cè)試，脈沖和 連 續(xù) 波 下 的 輸 出 功 率 密 度 分 別 為 0.43 W/mm 和 0.4 W/mm。

2022 年，針對(duì)體摻雜溝道器件柵長(zhǎng)縮短后柵控 能 力 減 弱、短 溝 道 效 應(yīng) 嚴(yán) 重 等 問(wèn) 題，南 京 電 子 器 件 研 究 所 聯(lián) 合 南 京 大 學(xué) 將 三 維 柵 工 藝 用 于 射 頻 器 件 中，通過(guò)三維柵來(lái)提升柵電極對(duì)溝道載流子的調(diào)控 能 力，從 而 提 高 器 件 的 跨 導(dǎo) 和 頻 率 特 性，如 圖 7 所示。與平面型器件相比，三維柵射頻器件的 fT從 4.5 GHz 提 升 至 5.4 GHz，fmax 從 7.2 GHz 提 升 至 11.4 GHz，提 升 幅 度 分 別 達(dá) 到 了 20% 和 58%，表 明 三 維 柵 結(jié) 構(gòu) 可 以 通 過(guò) 提 升 器 件 的 跨 導(dǎo) 和 抑 制 器 件 的短溝道效應(yīng)來(lái)提升射頻器件的頻率特性。然而， 三維柵會(huì)引入較高的寄生電容，影響器件的頻率特 性，因此該三維柵器件的頻率特性依然低于薄溝道 器件。

為了進(jìn)一步降低溝道厚度，抑制器件的短溝道 效應(yīng)，南京電子器件研究所又聯(lián)合南京大學(xué)等單位 開(kāi) 展 了 Ga2O3上 超 淺 離 子 注 入 溝 道 技 術(shù) 的 研 究。 通過(guò)低能量的 Si 離子注入，在 Ga2O3上實(shí)現(xiàn)了超薄 的 導(dǎo) 電 溝 道，通 過(guò) C?V 提 取 得 到 溝 道 電 子 分 布 與 2DEG 類(lèi)似，電子面密度高達(dá) 3.2×1013cm-2，主要分 布在距 Ga2O3表面 10 nm 范圍內(nèi)。基于該溝道研制 的 Ga2O3射頻器件結(jié)構(gòu)和性能如圖 8 所示，得益于其 超薄的溝道，即使柵長(zhǎng)縮短至 0.15 μm，器件也未出 現(xiàn) 明 顯 的 短 溝 道 效 應(yīng) 。 該 器 件 電 流 密 度 165 mA/mm，fT 和 fmax 分 別 為 29 GHz 和 35 GHz，擊 穿 電 壓 高 達(dá) 193 V，考 慮 到 柵 漏 間 距 僅 為 0.93 μm， 柵漏擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了 2.07 MV/cm，展現(xiàn)出 Ga2O3射 頻器件高耐壓的優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)以上研究結(jié)果可以看出，如何隨著柵長(zhǎng)的 縮 短 來(lái) 等 比 例 減 薄 Ga2O3 溝 道 厚 度 是 抑 制 體 摻 雜 Ga2O3射頻器件短溝道效應(yīng)和提升器件頻率特性的 關(guān) 鍵 。 目 前 ，通 過(guò) 外 延 摻 雜 形 成 的 溝 道 普 遍 在 50 nm 以上，而通過(guò)低能離子注入技術(shù)可以在 Ga2O3 表面形成 10 nm 厚的溝道，為 Ga2O3射頻器件的溝道 設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。此外，在功率性能研究 中 也 發(fā) 現(xiàn)，基 于 同 質(zhì) 襯 底 的 Ga2O3射 頻 器 件 面 臨 著 嚴(yán) 重 的 自 熱 效 應(yīng) ，嚴(yán) 重 制 約 了 器 件 的 功 率 輸 出 性能。

3 基于二維電子氣溝道的Ga2O3射頻器件

GaAs、GaN 射頻器件的成功離不開(kāi)其高遷移率 2DEG 溝 道，2DEG 不 僅 遷 移 率 高，而 且 厚 度 極 薄， 可以有效抑制器件的短溝道效應(yīng)。為發(fā)展 Ga2O3射 頻 器 件，國(guó) 外 開(kāi) 展 了 Ga2O3上 2DEG 溝 道 制 備 技 術(shù) 的研究。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在 AlGaO 勢(shì)壘層中進(jìn)行 δ 調(diào)制摻雜（如圖 9 所示），可在 AlGaO/Ga2O3異質(zhì)結(jié) 界面實(shí)現(xiàn) 2DEG 溝道。由于雜質(zhì)離化后產(chǎn)生的電子 進(jìn) 入 了 異 質(zhì) 結(jié) 量 子 阱 中，降 低 了 離 化 雜 質(zhì) 散 射，因 此可以獲得比傳統(tǒng)體摻雜更高的遷移率。2018 年， 美 國(guó) 俄 亥 俄 州 立 大 學(xué) 首 次 報(bào) 道 了 AlGaO/Ga2O3 調(diào) 制 摻 雜 結(jié) 構(gòu) 材 料，室 溫 下 2DEG 面 密 度 2.25× 1012cm-2，遷 移 率 180 cm2/（V·s），在 50 K 低 溫 下 遷 移率大幅度提升至 2 790 cm2/（V·s），表明聲子散射 是制約 Ga2O3室溫遷移率的主要因素。由于電子濃 度 較 低，器 件 表 現(xiàn) 出 增 強(qiáng) 型 特 性，飽 和 電 流 密 度 也 僅為 46 mA/mm，0.7 μm 柵長(zhǎng)器件的 fT和 fmax分別為 3.1 GHz 和 13.1 GHz。

2021 年 ，美 國(guó) 布 法 羅 大 學(xué) 也 報(bào) 道 了 AlGaO/ Ga2O3調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)的射頻器件，如圖 10 所示，該 器件同樣表現(xiàn)出了增強(qiáng)型，160 nm 柵長(zhǎng)的射頻器件 雖 然 飽 和 電 流 密 度 僅 為 74 mA/mm，但 跨 導(dǎo) 高 達(dá) 64 mS/mm，fT和 fmax分別高達(dá) 30 GHz 和 37 GHz，表 明柵極對(duì) 2DEG 的調(diào)控能力要遠(yuǎn)高于體摻雜溝道， 有效抑制了短?hào)砰L(zhǎng)器件的短溝道效應(yīng)，器件的頻率 性能得到了大幅度提升。該結(jié)果充分展現(xiàn)出 Ga2O3 調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)材料在研制射頻器件方面的優(yōu)勢(shì)，未 來(lái) 有 望 用于 更 高 頻 率 的 射 頻 器 件 中。另 外 需 要 指出的是，調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)材料可以直接在 AlGaO 勢(shì)壘 層上制備肖特基柵電極，可以避免在生長(zhǎng)柵介質(zhì)時(shí) 引 入 新 的 界 面 態(tài)，這 對(duì) 射 頻 器 件 也 至 關(guān) 重 要，因 此 肖特基柵也是該器件結(jié)構(gòu)的一大優(yōu)勢(shì)。然而，目前 調(diào) 制 摻 雜 結(jié) 構(gòu) 材 料 面 臨 的 最 大 問(wèn) 題 是 電 子 濃 度 和 遷移率均低于預(yù)期，嚴(yán)重限制了器件的直流和射頻性能。

2019 年，美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)采用分子束外延 （Molecular beam epitaxy，MBE）技術(shù)在 Fe 摻雜半絕 緣 Ga2O3 襯 底 上 生 長(zhǎng) 了 δ 摻 雜 的 外 延 層，并 研 制 了 120 nm 柵長(zhǎng)的射頻器件，如圖 11 所示。通過(guò) C?V 提取了溝道電子濃度，其分布類(lèi)似于異質(zhì)結(jié) 2DEG， 面密度高達(dá) 9.9×1012cm-2，遠(yuǎn)高于 AlGaO/Ga2O3異 質(zhì) 結(jié)，飽 和 電 流 密 度 也 因 此 提 升 至 260 mA/mm，fT 和 fmax 分 別 達(dá) 到 27 GHz 和 16 GHz。其 中 fT 與 異 質(zhì) 結(jié)射頻器件接近，但 fmax卻出現(xiàn)了大幅度下降，這可 能與其制備的 T 型柵截面積小、柵阻大有關(guān)。

通過(guò)采用 AlGaO/Ga2O3異質(zhì)結(jié)調(diào)制摻雜或者 δ 摻雜技術(shù)均可實(shí)現(xiàn) 2DEG 溝道，與體摻雜溝道相比 具有更高的電子遷移率和更薄的溝道厚度，是研制 Ga2O3射頻器件的理想方法。異質(zhì)結(jié)調(diào)制摻雜材料 的電子面密度目前還比較低，導(dǎo)致器件的飽和電流 密度較小；而 δ 摻雜的溝道由于電子面密度更高，器件的飽和電流密度得到了顯著提升。然而，由于受 到聲子散射的制約，Ga2O3中形成的 2DEG 在室溫下 的遷移率依然低于 200 cm2/（V·s），較傳統(tǒng)體摻雜溝 道未展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，制約了器件的頻率特性。

4Ga2O3射頻器件的異質(zhì)集成技術(shù)

射 頻 器 件 特 征 尺 寸 小、功 率 密 度 高，熱 效 應(yīng) 要 遠(yuǎn) 超 電 力 電 子 器 件。而Ga2O3的 熱 導(dǎo) 率 極 低，僅 為SiC的2%~6%，Ga2O3射頻器件將面臨嚴(yán)重的自熱 效應(yīng)。采用高導(dǎo)熱的襯底與Ga2O3異質(zhì)集成是解決Ga2O3射 頻 器 件 散 熱 問(wèn) 題 的 有 效 方 法，同 時(shí) 利 用 異 質(zhì) 結(jié) 的 能 帶 結(jié) 構(gòu) 可 以 將 電 子 束 縛 在Ga2O3薄 膜 中， 從而抑制器件的短溝道效應(yīng)。2019年，上海微系統(tǒng) 與 信 息 技 術(shù) 研 究 所 首 次 通 過(guò) 離 子 刀 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn)50.8 mm（2英 寸）（-201）晶 向Ga2O3薄 膜 與SiC襯 底的異質(zhì)集成，如圖12所示，表面粗糙度RMS小 于0.5 nm，X射線衍射（X?ray diffraction，XRD）搖擺 曲線半高寬為130 arcsec，表明異質(zhì)集成后的Ga2O3薄膜的晶體質(zhì)量較高，可以用于射頻器件研制。

2023年，南 京 大 學(xué) 聯(lián) 合 南 京 電 子 器 件 研 究 所、 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所等單位，首次報(bào)道了 高導(dǎo)熱SiC襯底與Ga2O3射頻器件的異質(zhì)集成，并 通過(guò)低能離子注入技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超薄導(dǎo)電溝道，有效 抑制了Ga2O3射頻器件的短溝道效應(yīng)，結(jié)果如圖13所示。研制的0.1 μm柵長(zhǎng)的Ga2O3射頻器件飽和電 流密度高達(dá)661 mA/mm，遠(yuǎn)高于Ga2O3同質(zhì)襯底器 件。得益于高導(dǎo)熱的SiC襯底和超薄導(dǎo)電溝道，器 件未出現(xiàn)明顯的自熱效應(yīng)和短溝道效應(yīng)，峰值跨導(dǎo) 高 達(dá)57 mS/mm。器 件 的fT和fmax分 別 高 達(dá)47 GHz和51 GHz，較Ga2O3襯底的射頻器件得到了顯著提 升。然 而，與 同 質(zhì) 襯 底 器 件 相 比，該 器 件 的 擊 穿 電 壓從193 V大幅度下降至90 V，在2 GHz下的連續(xù) 波 輸 出 功 率 密 度 為296 mW/mm，未 展 現(xiàn) 出 明 顯 優(yōu) 勢(shì)，這 可 能 與 異 質(zhì) 集 成 界 面 或Ga2O3薄 膜 內(nèi) 部 存 在 較多的缺陷態(tài)有關(guān)，是未來(lái)異質(zhì)集成技術(shù)需要重點(diǎn) 解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 同年，西安電子科技大學(xué)也報(bào)道了SiC襯底上 的Ga2O3射頻器件，器件結(jié)構(gòu)和性能如圖14所示。 通 過(guò) 氫 離 子 注 入 和 剝 離 技 術(shù) 將Sn摻 雜 濃 度 為3× 1018cm-3的Ga2O3薄膜轉(zhuǎn)移至SiC襯底上，并通過(guò)化 學(xué) 機(jī) 械 拋 光（Chemical mechanical polishing，CMP） 結(jié) 合BCl3干 法 刻 蝕 的 方 法 將Ga2O3薄 膜 的 厚 度 從500 nm左右減薄至100~110 nm。為了提升器件的 柵控能力和抑制短溝道效應(yīng)，又進(jìn)一步對(duì)柵下刻蝕 了45 nm。研 制 的180 nm柵 長(zhǎng) 的 射 頻 器 件 飽 和 電 流 密 度 高 達(dá)1.1 A/mm，fT和fmax分 別 達(dá) 到27.6 GHz和57 GHz。對(duì)器件進(jìn)行了功率性能測(cè)試，2 GHz下 連 續(xù) 波 輸 出 功 率 密 度 高 達(dá)2.3 W/mm，功 率 密 度 隨 著工作頻率的上升而下降，8 GHz下的輸出功率密 度 降低 至0.7 W/mm。該 結(jié) 果 表 明 采 用 高 導(dǎo) 熱 的SiC襯 底 與Ga2O3異 質(zhì) 集 成 可 以 很 好 地 解 決Ga2O3射頻器件的散熱難題，器件的飽和電流密度和輸出 功率密度均得到了極大提升。

金 剛 石 不 僅 與Ga2O3同 為 超 寬 禁 帶 半 導(dǎo) 體，而 且 其 熱 導(dǎo) 率 高 達(dá)2 200 W/（m·K），是SiC的4倍 以 上，如果與Ga2O3器件集成，有助于進(jìn)一步提升其耐 壓和散熱能力。2024年，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研 究所聯(lián)合南京電子器件研究所在第70屆國(guó)際電子 器 件 會(huì) 議（IEDM）上 首 次 展 示 了Ga2O3薄 膜 與 高 導(dǎo) 熱金剛石襯底的晶圓級(jí)異質(zhì)集成技術(shù)，極大地提升 了Ga2O3射頻器件的性能，研究結(jié)果如圖15所示。0.1 μm柵 長(zhǎng) 的 器 件 的 電 流 密 度 達(dá) 到810 mA/mm， 在 未 剝 離 寄 生 參 數(shù) 的 情 況 下，fT和fmax分 別 達(dá) 到 了34 GHz和61 GHz。由 于 金 剛 石 襯 底 的 高 熱 導(dǎo) 率， 與Ga2O3同質(zhì)襯底器件相比，熱阻從62.4 K·mm/W下降至5.52 K·mm/W，結(jié)溫下降了約250℃，有效解 決了Ga2O3器件散熱能力差這一瓶頸問(wèn)題，為Ga2O3器 件 的 熱 管 理 提 供 了 晶 圓 級(jí) 解 決 方 案 ，對(duì) 推 動(dòng)Ga2O3射頻器件的發(fā)展具有重要的意義。

以上研究表明，與SiC、金剛石等高導(dǎo)熱襯底異 質(zhì)集成，可以有效提升Ga2O3射頻器件的散熱能力， 從而提高器件的飽和電流密度和功率性能。然而， 基于離子刀的異質(zhì)集成技術(shù)在Ga2O3薄膜和鍵合界 面 處 引 入 了 陷 阱，不 僅 降 低 了Ga2O3射 頻 器 件 的 擊 穿 電 壓，還 加 劇 了 器 件 的 電 流 崩 塌，制 約 器 件 功 率 性 能 提 升。未 來(lái)，通 過(guò) 優(yōu) 化 異 質(zhì) 集 成 工 藝，或 者 在 高 導(dǎo) 熱 襯 底 上 異 質(zhì) 外 延Ga2O3溝 道 有 望 解 決 以 上 問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

Ga2O3不僅禁帶寬度大、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高，而且具有較高的飽和速度和約翰遜優(yōu)值，在射頻器件領(lǐng)域具有 潛 在 的 應(yīng) 用 價(jià) 值。得 益 于Ga2O3超 寬 禁 帶 的 優(yōu)勢(shì)，Ga2O3射頻器件的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)5.4 MV/cm，超越GaN、SiC的理論極限，展現(xiàn)出Ga2O3在高耐壓射頻器件方面的巨大優(yōu)勢(shì)。然而，由于受到短溝道效應(yīng)、遷移率低和熱導(dǎo)率低等因素的制約，Ga2O3射頻器件的發(fā)展面臨著諸多挑戰(zhàn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究 機(jī) 構(gòu) 已 對(duì)Ga2O3射 頻 器 件 開(kāi) 展 了 廣 泛 研 究，通 過(guò)異質(zhì)結(jié)、超淺離子注入等溝道技術(shù)有效抑制了器件的短溝道效應(yīng)，通過(guò)與SiC、金剛石等高導(dǎo)熱襯底異質(zhì) 集 成，初 步 解 決 了Ga2O3射 頻 器 件 面 臨 的 散 熱 難題，器件的電流密度達(dá)到了1 A/mm以上，接近GaN射 頻 器 件 的 水 平。然 而，由 于 聲 子 散 射 的 制 約，即使采用AlGaO/Ga2O3異質(zhì)結(jié)調(diào)制摻雜結(jié)構(gòu)，室溫遷移率仍然低于200 cm2/（V·s），導(dǎo)致器件的頻率特性遠(yuǎn)低于GaN射頻器件，制約了Ga2O3射頻器件在高頻 領(lǐng) 域 的 發(fā) 展。因 此，鑒 于Ga2O3低 遷 移 率 和 低 熱導(dǎo) 率 的 物 理 特 性，未 來(lái)Ga2O3主 要 聚 焦 于 低 頻 率 下的射頻器件，并且需要通過(guò)異質(zhì)集成或異質(zhì)外延等技 術(shù) 來(lái) 提 高 器 件 的 散 熱 能 力。隨 著 材 料 和 器 件 工藝 的 發(fā) 展，Ga2O3有 望 在 更 高 功 率 的 射 頻 器 件 上 取得突破。

來(lái)源：固體電子學(xué)研究與進(jìn)展

作者：郁鑫鑫 1，2；沈 睿 1，2，3；譙 兵 1，2；李忠輝 1，2，3；葉建東 4；孔月嬋 2，3；陳堂勝 2，3

（1中國(guó)電科碳基電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016） （2南京電子器件研究所，南京，210016）

（3固態(tài)微波器件與電路全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京，210016） （4南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京，210023）