1. 研究進(jìn)展

超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵（Ga?O?）以其卓越的材料特性，正成為下一代大功率電子器件的重要候選材料。在眾多晶相中，ε相氧化鎵（ε-Ga?O?）作為第二穩(wěn)定相，不僅具備異質(zhì)外延生長質(zhì)量高、極化效應(yīng)顯著等獨(dú)特優(yōu)勢，更能有效解決當(dāng)前β相Ga?O?功率器件存在的散熱性能不足和襯底成本高昂等關(guān)鍵問題。中山大學(xué)盧星副教授、王鋼教授課題組在異質(zhì)外延ε-Ga?O? MOSFET器件研究領(lǐng)域取得系統(tǒng)性突破，從高導(dǎo)熱碳化硅襯底應(yīng)用、大電流器件制備到E/D模反向器單片集成，為發(fā)展低成本、高性能氧化鎵功率電子器件提供了全新的技術(shù)路徑。

2. ε-Ga?O?：異質(zhì)外延生長與摻雜技術(shù)突破

研究團(tuán)隊(duì)基于自主金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）裝備和技術(shù)，在藍(lán)寶石、硅及4H-SiC襯底上成功實(shí)現(xiàn)了純相ε-Ga?O?薄膜的可控制備。高分辨率X射線衍射（HRXRD）分析表明，薄膜僅呈現(xiàn)ε-Ga?O?特征的（002）（004）（006）衍射峰，完全不含β相雜峰。針對(duì)ε-Ga?O?摻雜難題，團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地通過表面電子態(tài)調(diào)控技術(shù)，在ε-Ga?O?表面誘導(dǎo)形成類二維電子氣，使載流子面密度突破至10¹? cm?²量級(jí)?；?英寸藍(lán)寶石襯底制備的ε-Ga?O? MOSFET器件（L_GD=20 μm），不僅獲得118 mA/mm的最大輸出電流I_DS，更實(shí)現(xiàn)2.85 kV的高擊穿電壓，創(chuàng)造了異質(zhì)外延Ga?O?功率器件0.29 GW/cm²的功率優(yōu)值（PFOM）新紀(jì)錄。相關(guān)成果已發(fā)表于ISPSD 2024學(xué)術(shù)會(huì)議^[1]。

圖1 基于自主MOCVD技術(shù)在4英寸藍(lán)寶石襯底上生長的ε-Ga?O?薄膜的光學(xué)圖像；具有不同溝道設(shè)計(jì)的ε-Ga?O? MOSFET 轉(zhuǎn)移特性的仿真結(jié)果。

3. 4H-SiC襯底：熱管理優(yōu)化與性能提升

為克服Ga?O?功率器件散熱瓶頸，團(tuán)隊(duì)采用高導(dǎo)熱2英寸4H-SiC襯底，成功研制出增強(qiáng)型（E-mode）ε-Ga?O? MOSFET。得益于優(yōu)異的散熱性能，溝道長度2 μm的器件展現(xiàn)出209 mA/mm的大輸出電流、2.7 V的高閾值電壓、42 mS/mm的大跨導(dǎo)以及超過10?的電流開關(guān)比，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。該突破性成果發(fā)表于IEEE Electron Device Letters期刊^[2]。

圖2 基于4H-SiC襯底和藍(lán)寶石襯底的ε-Ga?O? MOSFET器件性能對(duì)比

圖3 本研究的ε-Ga?O? MOSFET器件與已有文獻(xiàn)報(bào)道的Ga?O?橫向晶體管器件性能對(duì)比。

4. 大電流器件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過設(shè)計(jì)多指結(jié)構(gòu)（總柵寬L_W=6.24 cm），團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出大電流輸出的ε-Ga?O? E-mode MOSFET器件。在V_DS=20 V、V_GS=7 V工作條件下，器件最大輸出電流高達(dá)3.7 A，創(chuàng)下目前橫向Ga?O?晶體管電流輸出能力的最高紀(jì)錄。此項(xiàng)研究成果已在DRC2025學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表^[3]。

圖4：大尺寸ε-Ga?O? MOSFET器件的版圖和輸出特性。

5. E/D模單片集成與邏輯電路實(shí)現(xiàn)

面向功率集成電路（Power IC）發(fā)展需求，團(tuán)隊(duì)基于自主開發(fā)的異質(zhì)外延ε-Ga?O? MOSFET技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上實(shí)現(xiàn)了ε-Ga?O?增強(qiáng)型/耗盡型（E/D-mode）反向器的單片集成。所構(gòu)建的反向器表現(xiàn)出8.96 V的邏輯電壓擺幅，在9 V供電電壓下獲得10.4倍的電壓增益，充分展現(xiàn)了異質(zhì)外延ε-Ga?O?在超寬禁帶功率集成電路領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。該成果已入選ISPSD 2025學(xué)術(shù)會(huì)議^[4]。

圖5：基于異質(zhì)外延 ε- Ga?O? MOSFET的單片集成 E/D模反向器的結(jié)構(gòu)示意圖、電路圖及（c）制造工藝流程

6. 研究展望

中山大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)長期致力于氧化鎵等新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料的研發(fā)與裝備研制，在異質(zhì)外延ε-Ga?O? MOSFET器件領(lǐng)域取得的系列創(chuàng)新成果，不僅為突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸提供了全新思路，更為推動(dòng)我國在高端功率電子器件領(lǐng)域的自主創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

7. 科研支持

本研究獲國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFE0205300）、國家自然科學(xué)基金（62471504）資助，特此致謝中山大學(xué)光電材料與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中山大學(xué)電子與信息工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的技術(shù)支持。

 

論文列表

 [1] Deke Zeng, Shengheng Zhu, Tiecheng Luo, Weiqu Chen, Zimin Chen, Yanli Pei, Gang Wang, and Xing Lu, “Heteroepitaxial epsilon-Ga2O3 MOSFETs on a 4-inch Sapphire Substrate with a Power Figure of Merit of 0.29 GW/cm2,” in 2024 36th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD), Jun. 2024, pp. 192–195. doi: 10.1109/ISPSD59661.2024.10579602.

[2] Shengheng Zhu, Linxuan Li, Tiecheng Luo, Weiqu Chen, Chenhong Huang, Xifu Chen, Zhanyun Huang, Zimin Chen, Yanli Pei, Gang Wang, and Xing Lu, “Demonstration of High-Current E-Mode MOSFETs Using Heteroepitaxial ε-Ga2O3 on 4H-SiC Substrates,” IEEE Electron Device Lett., vol. 46, no. 5, pp. 721–724, May 2025, doi: 10.1109/LED.2025.3553520.

[3] DRC2025  (尚未見刊)

[4] ISPSD2025（尚未見刊）

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)