超大型β-Ga?O?纳米带及其基于纳米带的多MOSFET集成技术

《Journal of Crystal Growth》：Ultra-large β-Ga 2O 3 nanobelt and nanobelt-based multi-MOSFET integration

基于碳热还原法成功制备了长毫米级、宽达352微米的β-Ga?O?纳米带，表面粗糙度仅370皮米，优先生长方向为[010]，易解理面为<12>和<21-12>。通过多MOSFET集成实现150×150微米2源漏电极布局，暗电流低至10?13安培，在254纳米紫外光下表现出优异的栅极控制特性，为宽禁带半导体微电子器件提供新结构。

　　

陈海峰|丁子杰|陈春玲|刘旭阳|孙协新|魏志红|马军|贾一凡|郝月

西安邮电大学电子工程学院先进半导体器件与材料重点实验室，中国西安710121

摘要

在本研究中，采用碳热还原法制备出了尺寸长达毫米级、宽度达数百微米的超大型β-Ga₂O₃纳米带。纳米带的最大宽度为352微米，具有高纯度的β相结构，厚度约为65纳米，表面无缺陷且光滑，均方根粗糙度为370皮米。纳米带的最佳生长方向为[010]，易解理面分别为(12)和(2)。基于这些纳米带，实现了多MOSFET器件的集成，在一条宽度为165微米的纳米带上成功制备出了150×150微米的源/漏电极。在254纳米的太阳盲紫外光照射下，该MOSFET表现出优异的栅控特性。本研究突显了β-Ga₂O₃纳米带独特晶体形态在未来微电子领域中的重要应用潜力。

引言

Ga₂O₃具有8 MV/cm的高临界击穿电场强度，作为一种具有广阔应用前景的宽禁带半导体材料，被视为SiC和GaN的接替者[1]。与Ga₂O₃单晶薄膜和块体材料相比，合成的β-Ga₂O₃纳米带具有较高的表面积与体积比，并且结构均匀，不存在缺陷和位错[2]。因此，它们能够有效传输电荷，产生特殊的物理效应[3]，特别适用于高性能化学/气体传感器、压电电子器件和纳米级谐振器[4],[5],[6]。然而，β-Ga₂O₃纳米带的几何尺寸难以进一步增大，尤其是其宽度目前大多限制在20至30微米范围内[7],[8],[9]。众所周知，用于集成电路制造的半导体基底材料必须具备一定的宏观尺寸。过窄的宽度会增加工艺复杂性和成本，严重阻碍了β-Ga₂O₃纳米带在微电子领域的广泛应用[10]。为了解决这一问题，需要将β-Ga₂O₃纳米带的宽度扩展到百微米级别甚至更宽。

本研究证明了通过碳热还原法可以制备出长度达毫米级、宽度达数百微米的超大型β-Ga₂O₃纳米带，并展示了基于这些纳米带的多MOSFET集成技术。同时详细阐述了相关物理机制。

实验部分

实验方法

首先，按0.5:1:1的比例混合高纯度碳粉、碳纳米管和氧化镓粉末。将混合物放入覆盖有刚玉基底的刚玉坩埚中，然后置于950℃的高温扩散炉中，通入流速为1.5 L/h的氮气，加热时间为2小时。复合材料中的碳粉和碳纳米管既作为碳源，也起到还原剂的作用[11],[12],[13]。

结果与讨论

图1(a)展示了β-Ga₂O₃纳米带的制备示意图。首先按比例混合高纯度碳粉、碳纳米管和氧化镓粉末，在950℃的高温下进行碳热还原反应，从而在氧化铝基底上形成β-Ga₂O₃纳米带。整个生长过程遵循气固（VS）生长机制，无需催化剂，从而避免了额外成本。

结论

本研究成功制备出了长度达毫米级、宽度达数百微米的超大型β-Ga₂O₃纳米带。纳米带具有高质量的结构和光滑的表面。最佳生长方向为[010]，易解理面分别为(12)和(2)。在纳米带表面制备了多个MOSFET器件。随着纳米带宽度的增加（从75微米增加到165微米），源/漏电极的布局也相应调整。

作者贡献声明

陈海峰：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。 丁子杰：数据可视化、数据分析、结果整理。 陈春玲：数据整理。 刘旭阳：结果验证。 孙协新：实验研究。 魏志红：数据分析。 马军：数据分析。 贾一凡：资源获取、资金筹措。 郝月：研究指导、方法设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2023-JC-YB-574）和国家自然科学基金（项目编号：62204203）的支持。