沙特國王科技大學李曉航教授等人發表題為 “Two Kelvin Operation of Ultrawide-Bandgap β?Ga2O3 FinFETs and Logic Inverter Integrated Circuits”于nano letters上抗極端溫度電子器件對于從量子計算到太空探索等應用至關重要。超寬禁帶（UWBG）β-Ga?O?半導體有望在低溫至高溫范圍內工作；然而，其低溫性能尚未得到充分探索。本研究通過利用莫特變程跳躍（VRH）在雜質帶中的傳導，展示了β-Ga?O?晶體管在2K下的工作。β-Ga?O? FinFETs表現出增強型模式行為，在2K時閾值電壓為1.87V，開關電流比超過10?，亞閾值擺幅為152mV/dec。此外，實現了單片集成的β-Ga?O?反相器集成電路，在5V電源下2K時實現4.88V的電壓擺幅和28的電壓增益，直流功耗為0.13μW。穩定的低溫性能源于FinFET架構和精確摻雜，這些設計使得VRH成為可能，與β-Ga?O?溝道的雙帶輸運模型一致，從而確立了β-Ga?O?低溫電子學。
背景
能夠在極端溫度下工作的電子器件在廣泛的應用領域中備受青睞，包括低溫電子學、汽車發動機控制、井下鉆探和太空探索。例如，量子計算機需要工作在4K低溫下的低溫電子學。太空系統中的電子器件暴露于大幅度的溫度變化，水星表面溫度范圍為90-700K，月球表面為100-400K。通常，在這些環境中工作的電子電路需要熱控制或屏蔽，這導致系統尺寸和重量大、成本高。一個可行的解決方案是實現能夠抵抗極端溫度（低溫和高溫）的電子器件。使用寬禁帶（WBG）和超寬禁帶（UWBG）半導體開發極端溫度電子器件可能比硅更有優勢，因為它們已經表現出高達500°C高溫下的穩定器件性能。然而，WBG半導體的低溫工作由于載流子凍結效應而顯示出退化的器件性能。例如，WBG碳化硅（SiC）和體相氮化鎵（GaN）在接近100K時表現出載流子凍結，導致導通電阻大幅增加和晶體管特性中閾值電壓升高。GaN基異質結構中的極化誘導二維載流子氣沒有載流子凍結，但僅限于橫向器件結構，并在100K附近表現出扭折效應。
盡管如此，UWBG β-氧化鎵（β-Ga?O?）半導體由于其在Sn摻雜β-Ga?O?原生襯底中展示出直至2K的無電子凍結特性，對低溫應用具有前景。另一項關于β-Ga?O?外延薄膜的研究顯示直至40K無電子凍結。這一觀察表明β-Ga?O?器件用于低溫工作的潛力，具有以下顯著優勢：（1）由于其體相低溫特性，橫向和縱向β-Ga?O?器件如二極管和晶體管都可以在2K下實現；（2）低成本熔融生長原生襯底上的高質量可擴展β-Ga?O?外延薄膜表明其適用于各種器件，包括晶體管、二極管、邏輯電路和驅動器，可進一步促進具有大量片上功能的單片集成高緊湊低溫芯片的開發；（3）Ga?O?具有約4.8eV的UWBG和約8MV/cm的大臨界電場，對低溫功率電子學具有重要意義；（4）在低溫工作條件下，β-Ga?O?可以成為星際太空探測器的絕佳選擇，其卓越的高溫器件操作和抗輻射性是關鍵因素。
主要內容
本研究首次實現了超寬禁帶β-Ga?O?鰭式場效應晶體管（FinFETs）及邏輯反相器集成電路在2K極低溫下的穩定工作，這是超寬禁帶半導體在低溫電子學領域的重大突破。研究團隊采用FinFET架構結合精確控制的硅摻雜技術，在半絕緣（010）β-Ga?O?襯底上通過脈沖激光沉積生長600nm厚同質外延硅摻雜β-Ga?O?薄膜，開發了用于溝道的n?-Ga?O?（2.3×101? cm?3）和用于歐姆接觸的n?-Ga?O?（4.9×101? cm?3）兩種摻雜分布。器件制備采用電子束光刻和電感耦合等離子體刻蝕形成高寬比約6的三角形鰭結構（鰭寬104nm，鰭深596nm），原子層沉積Al?O?柵介質，電子束蒸發Pt/Au柵電極和Ti/Au源漏電極，每個FinFET包含55個并聯鰭片。
電學測試顯示增強型FinFET在300K時閾值電壓0.74V、開關電流比10?、亞閾值擺幅141mV/dec；在2K時閾值電壓1.87V、開關電流比3×10?、亞閾值擺幅152mV/dec，關鍵參數隨溫度變化極小。這種穩定性源于β-Ga?O?獨特的雙帶輸運機制：變溫霍爾效應測量揭示在140K以上導帶傳導占主導，140K以下雜質帶傳導逐漸占主導，電子濃度在2K時仍保持2.27×101? cm?3幾乎無凍結，莫特三維變程跳躍模型證實了低溫下雜質帶的電子傳導機制。閾值電壓正向偏移主要歸因于界面陷阱從300K的1.59×1012 cm?2eV?1降至2K的約101? cm?2eV?1的凍結效應。
基于單片集成的耗盡型（鰭寬175nm，VTH=-6.55V@300K）和增強型FinFETs，實現了β-Ga?O? NMOS反相器集成電路，驅動器與負載電阻比約50。反相器在300K時電壓擺幅4.927V（98.5%）、電壓增益31、靜態功耗0.88μW；在2K時電壓擺幅4.88V（97.6%）、電壓增益28、靜態功耗0.13μW，噪聲容限和轉換特性在整個溫度范圍內保持穩定。這項工作確立了β-Ga?O?在量子計算、太空探索等極端溫度應用中的潛力，為高度集成的低溫及極端溫度電子學開辟了新途徑。
結論
本研究展示了UWBG β-Ga?O? FinFETs和邏輯反相器集成電路在低至2K的低溫下的工作。FinFETs表現出增強型模式操作，具有穩定的器件特性，包括亞閾值擺幅、關態電流、開關電流比等隨溫度變化很小，這得益于缺乏載流子凍結效應。基于雙帶模型，得出結論：由硅摻雜雜質誘導的雜質帶電子傳導是T < 150K低溫工作的主要原因，莫特三維變程跳躍是電子傳導機制。此外，單片集成的Ga?O? NMOS集成電路表明了其用于低溫邏輯芯片的適用性。這項工作代表了高性能UWBG Ga?O?電子學用于低溫工作的首次演示，在低溫學和極端溫度電子學領域取得了重大進展。進一步，它為使用MOCVD和MBE生長薄膜的其他類型Ga?O?技術（用于功率和射頻器件、光電探測器、存儲器等）實現高度集成和緊湊的低溫及極端溫度電子學開辟了新的機會。圖1 β-Ga2O3 FinFET器件：(a)三維結構示意圖；(b)頂部SEM視圖標注源極(S)、漏極(D)和柵極(G)；(c)鰭式溝道區域放大圖顯示接觸間距LCH=LSD=10μm，柵長LG=4μm。摻硅β-Ga2O3薄膜：(d)原子力顯微鏡(AFM)表面形貌顯示RMS粗糙度1.1nm，插圖為(020)晶面XRD搖擺曲線，半高寬105弧秒；(e)PLD法制備n-/n+型β-Ga2O3薄膜性能與文獻對比；(f)關鍵元素的電子能量損失譜(EELS)成像；(g)鰭式結構橫截面TEM圖像及尺寸標注；(h)300K和2K下VDS=5V時的轉移特性曲線；(i)(j)分別為300K和2K下不同柵壓VGS的輸出特性曲線。圖2 β-Ga2O3 FinFET在300K至2K溫區的電學特性表征：(a)VDS=5V時的轉移特性曲線；(b)VGS=6V時的輸出特性曲線；(c)遲滯電壓ΔVHY與閾值電壓VTH的變化規律；(d)亞閾值擺幅SS的溫度依賴性；(e)導通電阻RON和場效應遷移率μFE的參數演變；(f)柵寬分別為175nm、150nm和104nm的β-Ga2O3 FinFET在300K和2K下的耗盡型(D-mode)與增強型(E-mode)工作特性。圖3 β-Ga2O3薄膜在不同溫度下的電學特性：(a)載流子濃度n和遷移率μ，其中n在140K出現最小值；(b)電阻率ρ和(c)霍爾系數RH，紅菱形標記為雙帶模型計算結果與實驗數據精確吻合；(d)Rxx(H)曲線顯示T≤180K時出現核磁共振(NMR)信號，表明雜質帶(IB)存在，且Gxy(H)的雙帶模型擬合良好(黃色實線)；(e)β-Ga2O3薄膜及FinFET器件中劃分的三個溫度區間導電機制總結；(f)亞閾值擺幅(SS)異常行為的解釋，歸因于T<150K時雜質帶傳導導致的高局域態密度(Dlocalized)；(g)2-180K溫度范圍內電阻率ρ的莫特三維變程跳躍傳導(3D VRH)模型擬合(紅色實線)。圖4 沿3D示意圖中切割線(橙色線)的能帶圖，展示了300K和2K下的耗盡區與積累區。在300K時觀察到更多空位界面態(Dit)和帶正電的界面陷阱電荷(Nit)，而在2K時由于載流子凍結效應，大部分界面陷阱被電子填充導致Nit減少。圖中EIB、EC和EF分別表示雜質帶、導帶和費米能級的能級位置。圖5 基于單片集成Ga2O3 NMOS反相器在5V電源電壓下的電學特性：(a)電壓傳輸特性曲線(VTC)；(b)電壓增益；(c)300K和2K下的靜態功耗(Pstatic)；(d)300K時5V電源電壓下的噪聲容限(黃色陰影區域)與轉換窗口(綠色陰影區域)；(e)5V電源電壓下低至2K的多溫區VTC特性；(f)不同溫度下提取參數VOL、VIL、VTH、VIH和VOH的變化規律。https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c06155
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