氧化鎵是超寬禁帶半導體材料的優異代表，由于其禁帶寬度和擊穿場強遠高于GaN，不僅可在更高場強、更高工作電壓下工作，大幅度提升輸出功率密度，還可以實現在高溫、強輻照等極端環境下的應用。

約翰遜優值（JFOM）與材料的擊穿場強和載流子的最大速度的乘積有關，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，氧化鎵的JFOM大約是GaN的2.6倍，表明氧化鎵在射頻器件領域同樣具有可觀的應用前景。

美國空軍研究實驗室、布法羅大學等國外機構已相繼布局開展氧化鎵射頻器件的研究。目前氧化鎵射頻器件面臨的問題較多，由于短溝道效應、遷移率、熱導率等因素的制約，氧化鎵射頻器件頻率、電流密度、功率密度等性能指標仍然處于較低的水平。特別是，氧化鎵的熱導率極低，僅為10W/m?K，是SiC的2%，導致氧化鎵射頻器件的散熱能力極差。嚴重的自熱效應導致器件功率和頻率難以協同提升，很大程度上掣肘了氧化鎵射頻器件的發展。

應對上述挑戰，由南京大學、南京電子器件研究所、中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所和西安電子科技大學杭州研究院組成的聯合研究團隊，提出基于高導熱碳化硅襯底與氧化鎵射頻器件異質集成的架構設計，利用萬能離子刀剝離和轉移技術實現了2英寸高質量SiC襯底與50nm超薄氧化鎵薄膜的晶圓級異質集成(圖1a)，結合低能離子注入溝道技術(IEEE Electron Device Lett. 44, 1060, 2023)，在國際上首次實現碳化硅基氧化鎵異質集成射頻器件，器件的頻率性能達到目前公開報道最高值，相關成果以“Heterointegrated Ga2O3-on-SiC RF MOSFETs with fT/fmaxof 47/51 GHz by Ion-cutting Process”為題，于2023年10月24日在IEEE ElectronDevicesLetters上在線發表。

器件直流特性

柵長0.1μm的氧化鎵異質集成射頻器件電流密度高達661 mA/mm，導通電阻低至24Ω·mm。該器件在-8V柵壓下關斷較好，沒有出現明顯的短溝道效應，如圖1b所示。在15V漏壓下，閾值電壓為-7.5V，跨導57mS/mm。在-12V偏置柵壓下，關態電流低于1nA/mm，擊穿電壓達到90V，表明器件即使在高場下也未出現漏至勢壘下降效應。

對比研究，相同結構的氧化鎵同質襯底器件電流密度僅為235mA/mm，出現明顯的自熱效應。這表明異質集成技術可有效提升器件的散熱能力。結合C-V和I-V曲線，提取了不同柵壓下溝道的電子面濃度、遷移率和方阻。結果表明，充分利用氧化鎵硅離子激活溫度低、熱擴散長度小的優勢，通過低能硅離子注入結合快速退火技術，實現了高電子濃度的類似2DEG的超薄導電溝道，溝道電子主要分布在距氧化鎵表面10nm范圍內，可以有效解決射頻器件的短溝道效應(圖1c)。

當柵壓為8V時，電子面密度高達1.83×1013cm-2，遷移率為67cm2/V·s，溝道方阻低至5.07kΩ/sq。當柵壓降低至-1V時，電子面密度隨之降低至1.1×1012cm-2，對應的遷移率提高到118cm2/V·s (圖1d)。與氧化鎵同質襯底器件相比，由于自熱效應的有效抑制，溝道遷移率得到顯著提升，這也是助力氧化鎵異質射頻器件電流密度提升的重要原因。

圖1. SiC基Ga2O3異質集成射頻器件 (a)橫截面結構示意圖；(b)直流輸出特性；(c) C-V曲線和提取的電子濃度分布；(d)不同柵壓下溝道的電子面濃度、遷移率和方阻。

頻率特性和功率輸出性能

柵長為0.1μm器件的截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax分別達到了47GHz的和51GHz，為目前氧化鎵射頻器件公開報道的最高水平，如圖2a所示。圖2b和2c對不同柵長的氧化鎵射頻器件的截止頻率fT和最大振蕩頻率fmax進行對比。采用傳統體摻雜溝道，當柵長縮短至0.2μm以下時，器件的截止頻率fT不再隨柵長的減小而繼續上升，表明器件已出現明顯的短溝道效應。本工作采用低能離子注入溝道和異質集成技術后，柵長0.5μm的器件fT·LG為5.45GHz·μm，對應的載流子飽和速度高達3.42×106cm/s，與AlGaO/Ga2O3調制摻雜結構的射頻器件相當，表明采用低能離子注入溝道技術獲得了與2DEG性能相近的載流子輸運溝道。

采用負載牽引系統對柵長0.1μm的氧化鎵異質集成射頻器件在2GHz頻率下的功率輸出特性進行了測試。器件工作在連續波(CW)模式下，飽和輸出功率密度為296mW/mm，功率增益11dB，最大功率附加效率(PAE)為25.7%。隨著輸入功率的增加，功率增益一直保持較高水平，在輸出功率飽和前沒有出現明顯的下降。

圖2d對公開報道的氧化鎵射頻器件在不同頻率下的輸出功率密度進行了對比，輸出功率密度與工作頻率呈反比關系，連續波下的輸出功率密度普遍小于脈沖模式下的。目前，公開報道的2GHz下連續波最大輸出功率為213mW/mm，其漏極工作電壓為20V。得益于更高的飽和電流密度和更好的散熱能力，本工作研制的氧化鎵異質集成射頻器件在15V工作電壓下即實現了296mW/mm的連續波輸出功率密度。

圖2.柵長0.1μm的氧化鎵射頻器件(a)小信號增益；不同柵長氧化鎵射頻器件(b)截止頻率和(c)最大振蕩頻率對比；(d)不同頻率下氧化鎵射頻器件的輸出功率密度對比。

綜合而言，低能離子注入技術在溝道摻雜濃度和深度設計上具有較高的靈活度，通過優化注入劑量和能量可實現高濃度的超薄導電溝道，抑制氧化鎵射頻器件的短溝道效應，減小低遷移率導致的較高的溝道方阻，從而提升器件的電流密度和頻率特性；采用高熱導率的碳化硅襯底與超薄氧化鎵薄膜的抑制集成，可顯著改善氧化鎵射頻的散熱能力，抑制器件的自熱效應，提升器件的電流密度，實現在連續波下工作。這一研究工作為氧化鎵射頻器件的發展開辟了新的解決思路，在一定程度上解決了制約氧化鎵射頻器件面臨的關鍵技術問題，有望推動氧化鎵在射頻器件領域的發展。

該研究工作由南京大學、南京電子器件研究所、中國科學院上海微系統與信息技術研究所、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所和西安電子科技大學杭州研究院共同完成。南京大學博士生、南京電子器件研究所高級工程師郁鑫鑫與中國科學院上海微系統與信息技術研究所徐文慧博士為共同第一作者，葉建東教授、李忠輝研究員、歐欣研究員和韓根全教授為論文通訊作者。該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金重大/重點項目和廣東省重點研發計劃等項目的支持。

審核編輯：劉清