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研究作者及机构
本研究由Jeongmin Kim、Hyeongwoo Kim、Inho Kang、Junghun Kim、Seokjin Ko、Jinho Bae和Jihyun Kim共同完成。研究团队分别来自首尔大学化学与生物工程系、韩国电气技术研究院（KERI）和高丽大学化学与生物工程系。该研究于2024年4月6日发表在《Journal of Materials Chemistry C》期刊上，卷号为12，页码范围6193–6200。

学术背景
本研究的科学领域为功率半导体材料与器件，特别是基于β-氧化镓（β-Ga₂O₃）的纳米场效应晶体管（nanofet）。β-Ga₂O₃因其高击穿电场和Baliga品质因数（Baliga’s figure-of-merit）被认为是一种优于氮化镓（GaN）和4H-碳化硅（4H-SiC）的功率半导体材料。然而，β-Ga₂O₃器件在实际应用中面临电场分布不均导致的过早击穿问题。为了解决这一问题，研究团队提出了一种基于六方氮化硼（h-BN）的斜面场板（beveled field-plate, FP）结构，旨在优化电场分布并提高器件的击穿电压。

研究流程
1. 器件设计与制备
- 研究团队从单晶β-Ga₂O₃衬底上通过机械剥离获得β-Ga₂O₃纳米层，并将其转移到二氧化硅（SiO₂）衬底上。
- 使用电子束光刻（EBL）和电子束蒸发技术定义源极和漏极电极，并通过真空炉退火增强欧姆接触。
- 通过机械剥离获得50 nm厚的h-BN层，并将其精确放置在β-Ga₂O₃纳米层上。
- 使用下游六氟化硫（SF₆）等离子体刻蚀技术，在h-BN上形成斜面结构，刻蚀速率约为0.8 nm/s。
- 通过EBL和电子束蒸发技术定义斜面结构的栅极电极，并完成器件制备。

1. 器件表征与测试
   
   • 使用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和原子力显微镜（AFM）对器件的晶体结构和形貌进行表征。
     
   • 使用半导体参数分析仪（Agilent 4155C）和高压电源（Keithley 248）对器件的电学性能进行测试，包括击穿电压、开关比、亚阈值摆幅和场效应迁移率。
     
   • 使用Silvaco Atlas软件对器件的击穿特性进行仿真分析，优化器件结构。

主要结果
1. 器件性能
- 制备的β-Ga₂O₃纳米场效应晶体管表现出优异的电学特性，开关比超过10⁷，亚阈值摆幅为86.2 mV/dec，场效应电子迁移率为14.8 cm²/V·s。
- 斜面场板结构显著提高了器件的击穿电压，三端击穿电压达到+441 V，优于传统直线栅极场板结构的β-Ga₂O₃金属-半导体场效应晶体管（MESFET）。

1. 电场分布优化

   • 通过下游SF₆等离子体刻蚀形成的h-BN斜面结构有效缓解了栅极接触金属漏极侧边缘的电场集中问题，仿真结果验证了这一设计的效果。
     
   • h-BN的高导热性有助于分散通道中产生的热量，进一步提高了器件的稳定性。

2. 材料特性

   • 拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）分析表明，β-Ga₂O₃和h-BN的晶体结构在器件制备过程中保持完整，等离子体刻蚀对材料特性的影响较小。

结论
本研究成功制备了一种基于斜面场板结构的β-Ga₂O₃纳米场效应晶体管，显著提高了器件的击穿电压和电学性能。该研究不仅证明了β-Ga₂O₃在高功率器件中的应用潜力，还展示了下游SF₆等离子体刻蚀技术在优化器件结构中的有效性。斜面场板结构的设计为高功率电子器件的发展提供了新的思路。

研究亮点
1. 创新性设计：斜面场板结构首次应用于β-Ga₂O₃纳米场效应晶体管，显著提高了器件的击穿电压。
2. 材料特性保持：下游SF₆等离子体刻蚀技术在不破坏β-Ga₂O₃和h-BN晶体结构的前提下，实现了精确的斜面结构制备。
3. 高性能器件：制备的器件表现出优异的电学性能，为高功率应用提供了可靠的技术支持。

其他价值
本研究的成果不仅推动了β-Ga₂O₃在高功率器件中的应用，还为其他宽禁带半导体材料的器件设计提供了参考。此外，下游SF₆等离子体刻蚀技术的成功应用为纳米器件的制备提供了新的工艺选择。

以上报告详细介绍了研究的背景、流程、结果及其意义，旨在为其他研究者提供全面的参考。