氧化镓射频器件研究突破！西电郝跃院士、张进成教授、周弘教授团队：超宽禁带半导体在射频功率器件中的异质集成

由西安电子科技大学郝跃院士、张进成教授、周弘教授的研究团队在学术期刊 Science Advances 发布了一篇名为 Heterogeneous integration of ultrawide bandgap semiconductors for radio frequency power devices（超宽禁带半导体在射频功率器件中的异质集成）的文章。西安电子科技大学为论文第一作者单位和通讯作者单位，第一作者为周弘教授，通讯作者为张进成教授、香港大学张宇昊教授以及西电周敏博士。合作单位包括上海交通大学和美国弗吉尼亚理工大学。

一、 期刊介绍

Science Advances 是美国科学促进会（AAAS）旗下Science系列的顶级期刊之一，致力于发表具有原创性和广泛影响力的研究成果，涵盖物理、材料、工程、生物等领域，现影响因子为12.5，JCR分区为Q1，是国际顶级综合科学期刊之一。

二、 项目支持

西安电子科技大学的相关工作得到中国国家自然科学基金（NSFC）资助，资助编号为62222407和62421005。

三、 背景

射频（RF）半导体器件在通信、消费电子、航空航天和国防等领域有广泛应用，其设计目标通常包括高截止频率、高最大振荡频率、高输出功率密度、高效率及低噪声。宽禁带（WBG）及超宽禁带（UWBG）半导体因大禁带、高临界电场及高饱和电子速率等优异特性，被认为是提升射频器件性能的关键材料。然而，单一 UWBG 材料难以同时兼顾浅能级掺杂与高热导率，如 Ga₂O₃ 热导率低，AlN 和金刚石虽热导率高却缺乏浅能级掺杂，从而限制了器件的输出功率和可靠性。

为突破这一限制，异质集成不同 UWBG 材料成为一种有前景的策略。现有方法如机械剥离、氢离子切割及晶圆键合等，虽可实现材料组合，但仍存在薄膜尺寸受限、材料损伤及界面热阻大等问题。本研究提出一种结合机械剥离、阵列化转移及晶圆级直接键合的新型异质集成技术，可在保持薄膜均匀性的同时实现大面积阵列，为高性能射频器件及集成电路的制备提供新的解决方案。

四、 主要内容

超宽禁带（UWBG）半导体因其高临界电场和高饱和载流子速度，非常适合射频（RF）器件，但在单一材料中同时实现浅能级掺杂与高热导率（k_T）仍然具有挑战性本研究展示了一种可扩展的基于剥离的层转移工艺，将具有浅能级掺杂的氧化镓（Ga₂O₃）薄膜异质集成到高 k_T 的氮化铝（AlN）衬底上。该方法无需传统方法中使用的离子注入和界面介电层。在 Ga₂O₃/AlN 界面形成的较大导带偏移（3.4 eV）改善了 Ga₂O₃ 通道中的电子约束。T 型栅射频功率晶体管在 2 GHz 时实现了 4.6 W/mm、6 GHz 时实现了 4.1 W/mm 的输出功率密度，并达到了 90 GHz 的最大振荡频率——均位列 UWBG 器件的最高水平。在 8 GHz 时实现的最小噪声系数为 0.48 dB——在该频段中也处于最低水平——进一步凸显了该平台在下一代射频应用中的潜力。

五、 结论

本工作提出了一种 Ga₂O₃-on-AlN 异质集成平台，用于射频（RF）功率器件，可充分利用多种超宽禁带（UWBG）材料的互补电学和热学特性。该集成方法结合了剥离转移和晶圆级键合，避免了许多传统方法中所需的离子注入和界面氧化层，同时实现了阵列薄膜几何尺寸的均匀性，并可将总面积扩展至晶圆级。Ga₂O₃-on-AlN 射频晶体管利用 AlN/Ga₂O₃ 结提供的高势垒，实现了高度掺杂 Ga₂O₃ 通道的紧密栅控和栅长可扩展性。此外，AlN 衬底的高临界电场消除了衬底早期击穿问题。材料、工艺与器件的协同优化带来了出色的频率与功率性能，包括平均电场超过 3 MV/cm、f_T/f_max 为 23.8/90 GHz、在 2–6 GHz 范围内输出功率密度 P_out 为 4.1–4.6 W/mm，以及在 8 GHz 的最小噪声系数 NF_min 为 0.48 dB，其中 P_out 为所有 UWBG 射频器件中最高，噪声为 X 波段射频器件中最低之一。这些结果表明，该异质 UWBG 平台在高频、高功率、低噪声射频电子器件方面具有巨大潜力。

图 1. 异质集成工艺及材料表征。(A) Ga₂O₃/AlN 异质集成工艺示意图。具有均匀几何形状的 β-Ga₂O₃ 带或薄膜从衬底边缘剥离，然后手动转移到蓝色胶带上形成阵列。通过多次晶圆级键合工艺，将蓝带上的 β-Ga₂O₃ 薄膜厚度减薄至约 500 nm。随后形成石墨/Si/β-Ga₂O₃/AlN 叠层，并在 3 小时的键合过程中将晶圆级 β-Ga₂O₃ 薄膜阵列转移到 AlN 衬底上。(B) 转移到 AlN 衬底上的单个 β-Ga₂O₃ 薄膜部分的顶视光学显微图像。(C) 转移到 1 英寸 AlN 衬底上的晶圆级 120 个 β-Ga₂O₃ 薄膜阵列的厚度分布图。(D) 转移到 AlN 衬底上的 β-Ga₂O₃ 薄膜表面原子力显微镜（AFM）图像，显示原子级平整表面，均方根粗糙度为 0.2 nm。(E) β-Ga₂O₃ 通道与 AlN 衬底原子界面的放大高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。(F) β-Ga₂O₃ 在 AlN 上的 X 射线衍射（XRD）扫描特性，a.u. 表示任意单位。(G) 转移并键合后的 β-Ga₂O₃ 的高分辨摇摆曲线，高度全宽半高（FWHM）为 80 弧秒。

图 2. 异质超宽禁带平台的电学与热学特性及器件设计。(A) 在 AlN 上的 β-Ga₂O₃ 样品与 SiC 上的 β-Ga₂O₃ 样品上制造的两个台面结构之间的泄漏电流特性，显示 AlN 上的 β-Ga₂O₃ 样品击穿电压高 2.5 倍。(B) SiC、β-Ga₂O₃ 和 AlN 的能带对齐示意图，其中 β-Ga₂O₃ 与 AlN 之间存在 3.4 eV 的较大导带不连续性。(C) AlN 衬底上 β-Ga₂O₃ 射频功率 MOSFET 的横截面示意图。(D) T 型栅形 β-Ga₂O₃ 射频功率 MOSFET 的顶视扫描电子显微镜（SEM）图像和横截面透射电子显微镜（TEM）图像，栅长 L_G = 150 nm，栅控通道厚度为 30 nm。(E) 在 SiO₂/Si、SiC 和 AlN 衬底上制备的相同几何结构 Ga₂O₃ MOSFET 的热阻（RT）随直流功率密度变化关系；三种衬底均采用相同的异质集成工艺。(F) 本工作与其他文献中在多种衬底上制备的 Ga₂O₃ 晶体管的热阻基准比较。

图 3. Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 的直流特性。(A) 代表性 Ga₂O₃-on-AlN MOSFET（栅长 L_G = 300 nm）的线性尺度 I_D-V_DS 特性。(B) V_DS = 10 V 下的对数尺度 I_D-V_GS-I_G 特性，(C) 同一器件在 V_DS = 1/10/20 V 下的线性尺度 _ID-V_GS-g_m 特性。(D) 器件在三种静态偏置条件下的脉冲 I_D-V_DS 特性，脉宽 5 μs，占空比 1%，V_GS = 0 V。(E) 在 SiC 和 AlN 衬底上制备的 β-Ga₂O₃ MOSFET 的三端关断态泄漏电流及击穿特性。(F) Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 结构在器件击穿电压 216 V 下的电场仿真轮廓，以及沿 Ga₂O₃ 通道和 AlN 衬底两条截线的电场分布。尽管击穿发生在 Ga₂O₃ 中，但 AlN 衬底中仍存在 4.1 MV/cm 的高电场；如果衬底材料无法承受该电场，将导致衬底早期击穿。

图 4. Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 的小信号射频特性及线性特性。(A) 栅长 L_G = 300 nm 的 Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 在 V_DS = 45 V 偏置且 V_GS 为峰值 g_m 时的小信号增益特性。(B) 提取的 f_T 和 f_max 随 V_DS 变化关系，f_max 提取值为 90 GHz。(C) 在 f = 2 GHz 下进行的双音负载拉取（two-tone load-pull）输入功率扫描，用于研究器件在 V_DS = 15 V 时的线性特性。器件表现出高线性，提取的三阶输出截取点（OIP3）为 28 dBm。

图 5. Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 的大信号射频特性。(A) 栅间距 L_GS/L_GD/L_G = 400/700/300 nm、栅宽 W_G = 2 × 30 μm 的 Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 的大信号性能。(B) 提取的输出功率 P_out 和功率附加效率 PAE 随 V_DS 的依赖关系。器件在类 AB 偏置条件下工作，频率 f = 2 GHz、脉宽 100 μs、占空比 10%，实现了创纪录的 P_out = 4.6 W/mm 和 PAE = 50.5%。(C) 栅间距 L_GS/L_GD/L_G = 400/700/300 nm、栅宽 W_G = 2 × 15 μm 的 Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 在 f = 6 GHz、V_DS = 45 V 下进行大信号类 AB 功率扫描性能。插图：用于射频信号放大的 Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 放大器示意图。(D) 输出功率 P_out 和功率附加效率 PAE 随 V_DS 从 25 到 45 V 的变化关系，在 f = 6 GHz 下提取 P_out = 4.1 W/mm。

图 6. Ga₂O₃-on-AlN MOSFET 与最先进射频晶体管的射频性能对比。(A) P_out 与 PAE 对比，包含各类 UWBG 材料平台上的射频晶体管数据，包括 diamond、Ga₂O₃-on-Ga₂O₃、Ga₂O₃-on-SiC、Al₀.₇Ga₀.₃N 以及代表性的 GaN 射频晶体管，频率范围 1–6 GHz。 (B) f_max 与 f_T × V_DS 对比，涵盖基于多种氧化物材料的射频晶体管，包括 Ga₂O₃、In₂O₃、ITO、IGZO、IZO 以及代表性的 GaN 射频晶体管。器件栅长/栅宽/L_GD = 0.3/2 × 30/0.7 μm 时，f_T = 23.3/23.8 GHz（V_DS = 40/45 V），击穿电压 BV = 216 V。

DOI：

doi.org/10.1126/sciadv.adw6167

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号