近日，《Nano Letters》刊登并收錄為封面亮點(diǎn)的一項(xiàng)突破性研究：全球首個(gè)Semiconductor–Free–space Gate（SFGT）自由空間柵晶體管。該成果由沙特阿拉伯 KAUST（阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)）李曉航教授團(tuán)隊(duì)完成，基于 β-Ga?O?（氧化鎵）構(gòu)建出全新柵控機(jī)制，為下一代功率電子、傳感與存儲(chǔ)技術(shù)開(kāi)啟了全新的器件范式。

一、 研究背景：突破傳統(tǒng) MOSFET 柵介質(zhì)瓶頸

在傳統(tǒng)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）晶體管中，電場(chǎng)需穿透固態(tài)介質(zhì)（如 SiO?、Al?O?）才能調(diào)控溝道。然而，介質(zhì)內(nèi)部或界面上的陷阱電荷往往會(huì)導(dǎo)致：

• 門(mén)控能力下降

• 閾值電壓漂移

• 耐壓與可靠性受限

• 高溫/輻照環(huán)境性能快速退化

這些問(wèn)題在寬禁帶材料（尤其是 Ga?O?）中尤為突出。

本工作首次完全移除固態(tài)介質(zhì)，以“自由空間（air/vacuum）”取代傳統(tǒng)柵介質(zhì)，構(gòu)建出一種全新晶體管架構(gòu)——SFGT。

二、 核心創(chuàng)新：真正意義上的“自由空間柵控”晶體管

論文中提出的 SFGT（Semiconductor–Free-space Gate Transistor） 具有以下關(guān)鍵特征：

全新柵控結(jié)構(gòu)

• 溝道為 <100 nm 的 Ga?O? 窄鰭結(jié)構(gòu)

• 兩側(cè)為對(duì)稱 side-gate

• 柵極與溝道之間完全無(wú)固態(tài)介質(zhì)，僅為自由空間（空氣或真空）

這一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了晶體管歷史上首次真正意義上的“free-space gating”，并帶來(lái)一系列優(yōu)勢(shì)：

• 無(wú)介質(zhì)陷阱 → 無(wú)氧化物相關(guān)失效

• 電場(chǎng)直接耦合 → 柵控能力強(qiáng)

• 柵區(qū)可直接暴露 → 可用于傳感/環(huán)境調(diào)控

• 閾值電壓可通過(guò)環(huán)境、表面態(tài)、功能材料調(diào)節(jié)

三、 主要性能突破（基于 β-Ga?O? 器件）

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SFGT 的性能已完全達(dá)到甚至優(yōu)于許多氧化物柵 Ga?O? 器件：

• 亞閾值擺幅（SS）低于 200 mV/dec

• 最大漏電流 > 250 mA/mm

• 開(kāi)關(guān)比超過(guò) 10?

• 閾值滯后 < 230 mV

• 耐壓 > 500 V

（對(duì)應(yīng) Ga?O? 內(nèi)部電場(chǎng) ~4.8 MV/cm）

四、 關(guān)鍵技術(shù)突破

1.高質(zhì)量 Ga?O? 窄鰭加工（<100 nm）KAUST 團(tuán)隊(duì)利用原子層刻蝕（ALE）極大降低側(cè)壁損傷，將界面態(tài)密度控制到~10¹² cm?²·eV?¹，確保了自由空間界面也能實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的柵控性能。

2.自由空間可調(diào)控性：空氣 vs 真空

• 器件在空氣和真空中表現(xiàn)不同：

• 真空中 SS 明顯變差

• 閾值電壓負(fù)移

• 滯后從 100 mV 增大到 1 V

說(shuō)明：自由空間界面可通過(guò)環(huán)境分子吸附/脫附來(lái)調(diào)控器件特性。

這一特性讓 SFGT 天然適用于：

• 氣體傳感

• 表面功能層可重構(gòu)器件

• 全新類型的存儲(chǔ)單元

五、 對(duì)氧化鎵產(chǎn)業(yè)的意義

SFGT 的出現(xiàn)，為氧化物半導(dǎo)體帶來(lái)三個(gè)重大啟示：

1.徹底擺脫“介質(zhì)質(zhì)量”束縛Ga?O?

在高溫、大電場(chǎng)下的氧化物界面問(wèn)題一直是業(yè)界痛點(diǎn)。SFGT 直接移除柵介質(zhì)，開(kāi)辟了新方向。

2. 極端環(huán)境電子學(xué)的潛在主力

無(wú)固態(tài)介質(zhì) → 輻射免疫、高溫穩(wěn)定

與深空、核能、極端環(huán)境傳感器等方向高度契合。

3. 未來(lái)可擴(kuò)展到 GaN、AlN、Ga?O? 系統(tǒng)

論文指出 SFGT 與自開(kāi)關(guān)二極管（SSD）共享電場(chǎng)調(diào)控機(jī)制，因此可拓展至多種半導(dǎo)體。

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)