近日，《Nano Letters》刊登并收錄為封面亮點的一項突破性研究：全球首個Semiconductor–Free–space Gate（SFGT）自由空間柵晶體管。該成果由沙特阿拉伯 KAUST（阿卜杜拉國王科技大學）李曉航教授團隊完成，基于 β-Ga?O?（氧化鎵）構建出全新柵控機制，為下一代功率電子、傳感與存儲技術開啟了全新的器件范式。

一、 研究背景：突破傳統 MOSFET 柵介質瓶頸

在傳統金屬-氧化物-半導體（MOS）晶體管中，電場需穿透固態介質（如 SiO?、Al?O?）才能調控溝道。然而，介質內部或界面上的陷阱電荷往往會導致：

• 門控能力下降

• 閾值電壓漂移

• 耐壓與可靠性受限

• 高溫/輻照環境性能快速退化

這些問題在寬禁帶材料（尤其是 Ga?O?）中尤為突出。

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

二、 核心創新：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） 具有以下關鍵特征：

全新柵控結構

• 溝道為 <100 nm 的 Ga?O? 窄鰭結構

• 兩側為對稱 side-gate

• 柵極與溝道之間完全無固態介質，僅為自由空間（空氣或真空）

這一結構實現了晶體管歷史上首次真正意義上的“free-space gating”，并帶來一系列優勢：

• 無介質陷阱 → 無氧化物相關失效

• 電場直接耦合 → 柵控能力強

• 柵區可直接暴露 → 可用于傳感/環境調控

• 閾值電壓可通過環境、表面態、功能材料調節

三、 主要性能突破（基于 β-Ga?O? 器件）

實驗結果顯示，SFGT 的性能已完全達到甚至優于許多氧化物柵 Ga?O? 器件：

• 亞閾值擺幅（SS）低于 200 mV/dec

• 最大漏電流 > 250 mA/mm

• 開關比超過 10?

• 閾值滯后 < 230 mV

• 耐壓 > 500 V

（對應 Ga?O? 內部電場 ~4.8 MV/cm）

四、 關鍵技術突破

1.高質量 Ga?O? 窄鰭加工（<100 nm）KAUST 團隊利用原子層刻蝕（ALE）極大降低側壁損傷，將界面態密度控制到~10¹² cm?²·eV?¹，確保了自由空間界面也能實現優良的柵控性能。

2.自由空間可調控性：空氣 vs 真空

• 器件在空氣和真空中表現不同：

• 真空中 SS 明顯變差

• 閾值電壓負移

• 滯后從 100 mV 增大到 1 V

說明：自由空間界面可通過環境分子吸附/脫附來調控器件特性。

這一特性讓 SFGT 天然適用于：

• 氣體傳感

• 表面功能層可重構器件

• 全新類型的存儲單元

五、 對氧化鎵產業的意義

SFGT 的出現，為氧化物半導體帶來三個重大啟示：

1.徹底擺脫“介質質量”束縛Ga?O?

在高溫、大電場下的氧化物界面問題一直是業界痛點。SFGT 直接移除柵介質，開辟了新方向。

2. 極端環境電子學的潛在主力

無固態介質 → 輻射免疫、高溫穩定

與深空、核能、極端環境傳感器等方向高度契合。

3. 未來可擴展到 GaN、AlN、Ga?O? 系統

論文指出 SFGT 與自開關二極管（SSD）共享電場調控機制，因此可拓展至多種半導體。

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號