由西安電子科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)布了一篇名為 C-Band β-Ga₂O₃-on-SiC RF Power MOSFETs With High Output Power Density and Low Microwave Noise Figure（具有高功率密度和低微波噪聲系數(shù)的 C 波段 β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻功率 MOSFET）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究部分由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（NSFC）資助，項(xiàng)目編號(hào)為62222407、62421005，部分由廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金資助，項(xiàng)目編號(hào)為2023B1515040024。

2. 背景

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）因其極高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)和優(yōu)異的巴利加優(yōu)值，被認(rèn)為是繼 GaN 和 SiC 之后，制造下一代射頻（RF）和功率電子器件的極具潛力的材料。然而，β-Ga₂O₃ 的一個(gè)核心缺點(diǎn)是其極低的熱導(dǎo)率，這會(huì)導(dǎo)致器件在 RF 大功率工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的自熱效應(yīng)，極大地限制了其性能輸出。將 Ga₂O₃ 薄膜異質(zhì)外延生長(zhǎng)在具有高熱導(dǎo)率的碳化硅襯底上，是解決其散熱問(wèn)題的關(guān)鍵策略。對(duì)于 RF 功率放大器應(yīng)用，器件需要同時(shí)具備高輸出功率密度、高附加功率效率（PAE）和低噪聲系數(shù)。在單一器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這些高性能指標(biāo)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

3. 主要內(nèi)容

在本研究中，研究團(tuán)隊(duì)證明了通過(guò)采用高摻雜通道以降低通道電阻，并使用高熱導(dǎo)率的 SiC 襯底以增強(qiáng)散熱性能，β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻功率金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）可在 C 頻段應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度（P_out）。通過(guò)此設(shè)計(jì)，β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻 MOSFET 展現(xiàn)出 730 mA/mm 的漏極電流密度（I_D）和 81 mS/mm 的峰值跨導(dǎo)（gm）。由此，截止頻率（f_T）和最大振蕩頻率（f_max）分別達(dá)到 19.2 GHz 和 35.3 GHz。在高漏極偏壓（V_DS）工作條件下，由于自加熱效應(yīng)得到抑制，射頻功率性能表現(xiàn)優(yōu)異，輸出功率密度（P_out）在 4 GHz 時(shí)為 3.5 W/mm，在 6 GHz 時(shí)為 3.2 W/mm。據(jù)作者所知，這是 C 頻段所有 β-Ga₂O₃ 射頻功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管中最高的 P_out 值。此外，本研究還探討了 β-Ga₂O₃ 射頻 MOSFET 在 2–15 GHz 頻率范圍內(nèi)的微波噪聲特性。該器件在 2 GHz 時(shí)可實(shí)現(xiàn)最低噪聲系數(shù)（NF_min）為 1.4 dB，在 4–6 GHz 時(shí)為 1.8–2.5 dB。具有高摻雜通道和高熱導(dǎo)率襯底的 β-Ga₂O₃ 射頻功率 MOSFET 驗(yàn)證了其在未來(lái)高功率、高頻和低噪聲射頻電子學(xué)中的巨大潛力。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

● 首次在單一的 β-Ga₂O₃ RF 晶體管中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高輸出功率密度、高效率和極低的噪聲系數(shù)。

● 成功利用了 Ga₂O₃-on-SiC 異質(zhì)集成平臺(tái)來(lái)克服 Ga₂O₃ 的散熱瓶頸，并將其應(yīng)用于要求嚴(yán)苛的 RF 功率領(lǐng)域。

● 實(shí)驗(yàn)證明了 Ga₂O₃ 器件在低噪聲性能方面具有比肩甚至超越傳統(tǒng) HEMT 的潛力。

● 將 Ga₂O₃ RF 器件的性能推進(jìn)到了一個(gè)新的高度，使其成為下一代通信和雷達(dá)系統(tǒng)中 RF 功率放大器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

5. 結(jié)論

研究團(tuán)隊(duì)成功制備了基于 β-Ga₂O₃/SiC 復(fù)合結(jié)構(gòu)的 C 波段高射頻功率 MOSFET。通過(guò)采用高摻雜的 β-Ga₂O₃/SiC 復(fù)合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電流崩潰的精確控制、通道電阻的顯著降低以及熱量散發(fā)的有效提升。該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，包括 730 mA/mm 的高電流密度、81 mS/mm 的峰值跨導(dǎo)，以及在 4 GHz 時(shí) P_out = 3.5 W/mm、PAE = 15.1%，在 6 GHz 時(shí) P_out = 3.2 W/mm、功率附加效率為 7.8%。同時(shí)，報(bào)告了氧化物射頻晶體管的微波噪聲特性，其中在 2 GHz 時(shí) NF_min 為 1.4 dB，在 4–6 GHz 時(shí)為 1.8–2.5 dB。這些結(jié)果表明，β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻功率 MOSFET 在未來(lái)高頻、高功率和低噪聲應(yīng)用中具有巨大潛力。

圖1. (a) 基于SiC襯底的β-Ga₂O₃射頻MOSFET的三維截面示意圖。 (b) β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻功率 MOSFET 的關(guān)鍵制造工藝步驟。(c) β-Ga₂O₃Ga₂O₃/SiC 樣品的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。 (d) 經(jīng)食人魚(yú)溶液處理的 β-Ga₂O₃ 薄膜的原子力顯微鏡（AFM）圖像。 (e) 設(shè)備聚焦離子束（FIB）截面圖像。 (f) 頂視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

圖2. 表現(xiàn)良好的（a）對(duì)數(shù)坐標(biāo) I_D&I_G–V_GS，（b）線性坐標(biāo) I_D–V_GS 以及 g_m–V_GS，（c）線性坐標(biāo) I_D–V_DS 特性，適用于 β-Ga₂O₃-on-SiC 射頻功率 MOSFET。(d) 當(dāng)器件在固定 V_GS = 6 V 條件下，分別施加(V_GSQ, V_DSQ) = (0, 0 V)、(−10, 0 V)和(−10, 24 V)偏壓時(shí)，其脈沖 I_D–V_DS 測(cè)量結(jié)果。脈沖寬度和占空比分別為 50 µs 和 1%。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3558492

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