寬禁帶科技論|碳化硅大面積晶體管中的射頻反射測量研究

近日，英國思克萊德大學與英國國家物理實驗室的研究團隊在寬禁帶半導體SiC大面積晶體管的射頻反射測量研究中取得重要進展。相關成果以“Radio-frequency reflectometry in silicon carbide large-area transistors”為題，發表在arXiv預印本平臺上。該工作首次在寄生電容遠大于典型量子器件的大面積SiC垂直MOSFET上成功應用柵極射頻反射測量技術，揭示了低溫下載流子凍結導致射頻響應失效的物理機制，并提出了恢復靈敏度的改進電路方案，為可擴展的低溫CMOS量子系統設計提供了新洞察。

射頻反射測量技術因其高帶寬讀出的優勢，被廣泛應用于半導體量子器件的低溫快速讀取。然而，傳統應用場景多局限于納尺度結構、寄生電容較小的器件。隨著低溫CMOS量子系統向大規模集成方向發展，控制與讀取線路的密集集成會引入額外的寄生阻抗和替代性射頻電流路徑，從而降低讀出靈敏度。因此，理解射頻反射測量在存在大寄生電容和復雜電路環境下的行為，對于可擴展量子架構至關重要。

大面積半導體器件恰好提供了這樣的測試平臺——其固有的大柵極面積和垂直架構中的輕摻雜漂移區，可模擬密集集成低溫CMOS系統中可能出現的復雜阻抗環境。此外，碳化硅作為一種寬禁帶半導體，近年來在量子技術領域嶄露頭角：它不僅用于功率電子，還擁有可光學尋址的自旋缺陷，被提出用于混合量子技術。將射頻反射測量技術拓展至SiC器件，是探索其在可擴展量子架構中應用潛力的重要一步。

圖1展示了大面積器件的尺寸和內部結構，等效電路中的柵極電容高達2 nF，比典型量子器件大3至4個數量級。

研究團隊首先在室溫下對器件進行了直流傳輸特性測試。圖2(a)顯示閾值電壓約為1.5 V，導通電阻與數據手冊一致。圖2(b)表明當柵壓從-4 V切換到4.5 V時，反射系數出現可重復變化，證明射頻反射測量對柵壓敏感。圖2(c)顯示最大變化發生在諧振頻率約566 MHz附近，且亞閾值區的變化幅度遠大于導通區。圖2(d)顯示亞閾值區反射系數變化顯著，超過閾值后趨于飽和。這一行為歸因于柵壓對漂移區電阻的調制，而非溝道電容變化。

當溫度降至28 K時，器件直流傳輸特性仍保持正常。圖3(a)顯示閾值電壓升高至約6 V，導通電阻增至約110 kΩ。這是由于寬禁帶半導體4H-SiC中氮施主在低溫下發生載流子凍結，漂移區電阻從室溫的約9 mΩ飆升至約8.6 kΩ。圖3(b)顯示不同柵壓下的反射系數曲線幾乎重合，無柵壓依賴變化。圖3(c)顯示反射系數變化量均低于噪聲本底。圖3(d)展示了低溫下射頻電流的旁路路徑：由于漂移區電阻極大，射頻電流轉而通過柵-源電容和柵-漏電容路徑，這些路徑不依賴于柵壓，導致射頻信號丟失柵壓信息。

基于上述分析，研究團隊提出了改進電路。圖4(a)中，源極和漏極分別串聯電容，并加入射頻扼流電感。源極電容使溝道電阻納入諧振回路，漏極電容保留對漂移區電阻的敏感路徑，扼流電感阻止射頻信號泄漏。圖4(b)的仿真結果顯示，原始電路在低溫下對溝道電阻變化的響應幾乎為零，而改進電路在相同變化下產生約-20 dB的顯著信號。這表明通過重新分配射頻電流路徑，即使低溫下載流子凍結導致漂移區電阻極大，仍可恢復對溝道電阻變化的靈敏度。

本研究首次在大面積SiC垂直MOSFET上實現了柵極射頻反射測量。室溫下觀測到清晰的柵壓依賴射頻響應，該響應源于柵壓對漂移區電阻的調制。低溫下，由于SiC寬禁帶導致的載流子凍結，漂移區電阻從亞歐姆級升至kΩ級，射頻電流被旁路至柵壓不敏感的電容路徑，導致射頻響應消失，盡管直流傳輸特性仍保持正常。這一發現揭示了寬禁帶半導體在可擴展低溫CMOS系統中的一個共性挑戰：輕摻雜區域在低溫下的凍結效應會根本性地改變射頻電流的分配。

研究團隊提出的改進電路在源漏兩端串聯電容并加入射頻扼流電感，經仿真驗證可在低溫下恢復靈敏度。該設計為將SiC等寬禁帶半導體集成到大規模量子計算讀出系統中提供了重要的工程指導。未來，該技術有望應用于SiC基自旋量子比特的快速讀取以及低溫CMOS量子-經典混合系統。