氧化镓射频功率器件研究进展

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0054

摘要/Abstract

摘要： 超宽禁带半导体材料氧化镓（β-Ga₂O₃）具备高临界击穿场强、高电子饱和速率等特性，同时具有熔体法生长的大尺寸单晶衬底，有望在未来电网、轨道交通、雷达通信等高压大功率领域得到广泛应用。虽然基于氧化镓材料的电子器件在国际上已经取得了快速发展，然而受限于氧化镓材料迁移率低、热导率差的原因，氧化镓基射频器件的研究相对滞后。本文首先剖析了高压射频功率器件的发展需求，包括更高的功率量级、更小更轻便的设备、更高效的系统。随后，从击穿场强、饱和速率、晶圆制造和热管理四个方面阐述了氧化镓材料适合做高压大功率射频器件的原因。接着，综述了国际上有关氧化镓基射频功率器件研究的相关进展，主要讨论了同、异质衬底金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），以及异质结场效应晶体管（HFET）三种类型的器件结构。最后，总结了目前氧化镓射频功率器件性能提升的两大挑战是热扩散能力差和电子迁移率低，并对未来该领域的研究方向进行了展望和建议，例如高导热衬底的异质集成、表面钝化技术研究、器件在极端环境下的可靠性问题等，为相关领域的研究人员提供参考。

关键词: 氧化镓; 射频; 输出功率; 频率; 功率附加效率; 热导率

Abstract: Ultra-wide bandgap semiconductor material gallium oxide （β-Ga₂O₃） has the properties of high critical breakdown field strength， high electron saturation velocity， and large-size single crystal substrate grown by the melt method. It is expected to find wide applications in high-voltage and high-power fields such as future power grid， rail transit， and radar communication. Although electronic devices based on gallium oxide materials have achieved rapid development in the world， the research of gallium oxide-based radio frequency （RF） devices has been restricted by low carrier mobility and poor thermal conductivity of β-Ga₂O₃ materials. Firstly， this paper analyzes the development needs of high-voltage RF power devices， including higher power levels， smaller and lighter equipment， and more efficient systems. Then， the reasons why gallium oxide material is suitable for future high-voltage and high-power radio frequency devices are elaborated from four aspects： breakdown field strength， saturation velocity， wafer fabrication， and thermal management. Next， the relevant research progress on gallium oxide-based RF power devices is discussed， focusing on three types of device structures： metal-oxide-semiconductor field-effect transistors （MOSFETs） on homogeneous and heterogeneous substrates， and heterojunction field-effect transistors （HFETs）. Finally， it is summarized that the two major obstacles to enhancing the performance of gallium oxide RF power devices are poor thermal conductivity and low current density. In addition， the research suggestions for future work in this field are also presented， such as heterogeneous integration with high-thermal-conductivity substrates， research on surface passivation techniques， and the reliability of devices in extreme environments， providing references for researchers in related fields.

Key words: gallium oxide; radio frequency; output power; frequency; power added efficiency; thermal conductivity

中图分类号:

TN303

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图/表 17

图1 与功率、频率有关的半导体应用领域［1］

Fig.1 Semiconductor applications related to power and frequency［1］

图2 β-Ga2O3晶胞结构示意图［6］（a）与能带结构图［10］（b）

Fig.2 Schematic diagram of β-Ga2O3 cell structure［6］（a） and its energy band structure diagram［10］（b）

表1 β-Ga2O3与其他主流半导体材料特性对比［6，11］

Table 1 Comparison of β-Ga2O3 properties with other mainstream semiconductor materials［6，11］

材料	Si	GaAs	4H-SiC	GaN	β-Ga₂O₃
带隙/eV	1.1	1.4	3.3	3.4	4.5~4.9
电子迁移率/（cm²·V^-1·s^-1）	1 400	8 000	1 000	1 250	200~250
临界击穿场强/（MV·cm^-1）	0.3	0.4	2.5	3.3	8
饱和速率/（10⁷ cm·s^-1）	1	1.2	2	2.5	1.8~2
介电常数，ε	11.8	12.9	9.4	9	10
热导率/（W·cm^-1·K^-1）	1.5	0.5	4.9	2.3	0.109~0.27
BFOM= $ε_{r} μ E_{b r}^{3}$	1	14.7	317	870	3 444
JFOM= $E_{b r}^{2} v_{s}^{2} / 4 π^{2}$	1	1.8	278	1 089	2 844
BHFFOM= $μ E_{b r}^{2}$	1	10.1	46.3	100.8	142.2

表1 β-Ga2O3与其他主流半导体材料特性对比［6，11］

Table 1 Comparison of β-Ga2O3 properties with other mainstream semiconductor materials［6，11］

材料	Si	GaAs	4H-SiC	GaN	β-Ga₂O₃
带隙/eV	1.1	1.4	3.3	3.4	4.5~4.9
电子迁移率/（cm²·V^-1·s^-1）	1 400	8 000	1 000	1 250	200~250
临界击穿场强/（MV·cm^-1）	0.3	0.4	2.5	3.3	8
饱和速率/（10⁷ cm·s^-1）	1	1.2	2	2.5	1.8~2
介电常数，ε	11.8	12.9	9.4	9	10
热导率/（W·cm^-1·K^-1）	1.5	0.5	4.9	2.3	0.109~0.27
BFOM= $ε_{r} μ E_{b r}^{3}$	1	14.7	317	870	3 444
JFOM= $E_{b r}^{2} v_{s}^{2} / 4 π^{2}$	1	1.8	278	1 089	2 844
BHFFOM= $μ E_{b r}^{2}$	1	10.1	46.3	100.8	142.2

图3 材料特性对射频器件性能及通信系统的影响［12］

Fig.3 Influence of material characteristics on the performance of radio frequency devices and communication systems［12］

图4 根据JFOM品质因素对比了主流半导体在击穿电压与频率特性上的理论差异

Fig.4 Theoretical differences in breakdown voltage and frequency characteristics of mainstream semiconductors， according to JFOM

图5 几种有助于氧化镓散热的技术。（a）机械剥离［55］；（b）万能离子刀［56］；（c）flip-chip封装［60］

Fig.5 Several techniques that contribute to the heat dissipation of gallium oxide. （a） Mechanical exfoliation［55］；（b） smart-cut［56］；（c） flip-chip package［60］

图6 （a）β-Ga2O3 MOSFET器件结构图及聚焦离子束截面图；（b）0.8 GHz频率下β-Ga2O3 MOSFET的大信号功率特性［61］

Fig.6 （a） A cross section schematic and a focused ion beam （FIB） cross sectional image of β-Ga2O3 MOSFET device；（b） large-signal power properties of β-Ga2O3 MOSFET at the frequency of 0.8 GHz［61］

图7 （a）场板结构的β-Ga2O3 MOSFET器件结构图；（b）1 GHz频率下场板结构的β-Ga2O3 MOSFET器件的大信号功率特性［62］

Fig.7 （a） A cross section schematic of field-plated β-Ga2O3 MOSFET device；（b） large-signal power properties of field-plated β-Ga2O3 MOSFET at the frequency of 1 GHz［62］

图8 Delta掺杂的β-Ga2O3 MOSFET［64］。（a）器件结构图；（b）T型栅结构扫描电子显微镜图；（c）小信号频率特性

Fig.8 Detla-doped β-Ga2O3 MOSFET［64］. （a） A cross section schematic；（b） scanning electron microscope image of T-shaped gate structure；（c） small-signal frequency characteristics

图9 L波段β-Ga2O3 MOSFET［66］。（a）器件结构图；（b）脉冲模式下大信号特性。栅极下O2退火工艺处理的β-Ga2O3 MOSFET：（c）器件结构图；（d）功率扫描曲线

Fig.9 L-band β-Ga2O3 MOSFET［66］. （a） Schematic of the devic；（b） large-signal characteristics in pulsed mode. O2-annealing processed β-Ga2O3 MOSFET：（c） cross-sectional schematic of the device；（d） power sweep curve

图10 三种不同结构的β-Ga2O3 MOSFET器件结构示意图和小信号特性［69］。（a）、（b）类二维电子气沟道；（c）、（d）薄沟道T型栅结构；（e）、（f）为准二维高迁移率沟道

Fig.10 Schematic of device structure and small signal characteristics of three β-Ga2O3 MOSFETs with different structures［69］. （a），（b） 2DEG-like channel；（c），（d） thin-channel T-shaped gate structure；（e），（f） quasi-2D high mobility channel

图11 异质集成的Ga2O3-on-SiC MOSFET［73］。（a）器件结构示意图；（b）小信号频率特性；（c）2 GHz频率下大信号特性

Fig. 11 Heterointegrated Ga2O3-on-SiC MOSFETs［73］. （a） Schematic of device structure；（b） small-signal frequency characteristics；（c） large-signal characteristics at the frequency of 2 GHz

图12 高掺杂沟道的β-Ga2O3-on-SiC RF MOSFET［74］。（a）器件结构示意图；（b）小信号频率特性；（c）2 GHz频率下大信号特性

Fig.12 β-Ga2O3-on-SiC RF MOSFET with heavily doped channel［74］. （a） Schematic of device structure；（b） small-signal frequency characteristics；（c） large-signal characteristics at the frequency of 2 GHz

图13 叠层栅介质β-Ga2O3-on-SiC RF MOSFET［75］。（a）器件结构示意图；（b）小信号频率特性；（c）和（d）工作电压20 V及50 V下的大信号特性

Fig.13 β-Ga2O3-on-SiC RF MOSFET with bi-layer gate dielectric［75］. （a） Schematic of device structure；（b） small-signal frequency characteristics；（c） and （d） large-signal characteristics at VDS = 20 V and VDS = 50 V

图14 国际上具有代表性的基于β-（Al x Ga1-x ）2O3/Ga2O3材料结构的氧化镓射频器件相关工作

Fig.14 Internationally representative works of Ga2O3 RF devices with β-（Al x Ga1-x ）2O3/Ga2O3 material structure

表2 先进的β-Ga2O3射频器件总结

Table 2 The summary of advanced β-Ga2O3 RF devices

Structure/substrate	L_G/nm	g_m/（mS·mm^-1）	（f_T·f_max^-1）/GHz	P_out/（W·mm^-1）	PAE	Reference
MOSFET/Ga₂O₃	700	21	3.3/12.9	0.23（CW， 800 MHz）	6.3%	［61］
MOSFET/Ga₂O₃	140	25	5.1/17.1	—	—	［63］
MOSFET/Ga₂O₃	2 000	—	—	0.13（Pulse， 1 GHz）	12%	［62］
Delta-Doped MOSFET/Ga₂O₃	120	44	27/16	—	—	［64］
MOSFET/Ga₂O₃	200	17	9/27	—	—	［65］
MOSFET/Ga₂O₃	500	40	—	0.715（Pulse， 1 GHz）	23.4%	［66］
MOSFET/Ga₂O₃	500	40	—	0.487（Pulse， 2 GHz）	21.2%	［66］
MOSFET/Ga₂O₃	1 000	11	1.8/4.2	0.43（Pulse， 1 GHz）	12%	［67］
FinFET/Ga₂O₃	350	14.3	5.4/11/4	—	—	［68］
2DEG-like Channel MOSFET/Ga₂O₃	150	25	29/35	—	9.11%	［69］
thin channel MOSFET/Ga₂O₃	175	52	11/48	—	—	［70］
thin channel MOSFET/Ga₂O₃	90	36	27/55	—	—	［71］
Quasi-2D channel MOSFET/Ga₂O₃	900	54.2	18/42	—	—	［72］
HFET/Ga₂O₃	610	—	4/11.8	—	—	［77］
HFET/Ga₂O₃	160	64	30/37	—	—	［80］
Back-barrier MOSFET/Ga₂O₃	150	18	10/24	—	—	［82］
Heterointegrated MOSFET/SiC	100	57	47/51	0.296（CW， 2 GHz）	25.7%	［73］
Heavily doped channel MOSFET/SiC	180	70	27.6/57	2.3（CW， 2 GHz） 1.5（CW， 3 GHz） 1.3（CW， 5 GHz） 0.7（CW， 8 GHz）	31% 25% 17% 7%	［74］
MOSFET with bi-layer gate dielectrics/SiC	300	80	24/71	1.4（Pulse， 2 GHz） 3.1（Pulse， 2 GHz） 2.3（Pulse， 4 GHz）	50.8% 28% 23%	［75］

图15 氧化镓射频器件与氮化镓射频器件的性能对比。（a）频率特性；（b）功率特性（6 GHz以下）

Fig.15 Performance comparison between Ga2O3 RF devices and GaN RF devices. （a） Frequency characteristics；（b） power characteristics （sub-6 GHz）

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