抗极端温度电子器件对于从量子计算到太空探索等应用至关重要。超宽禁带（UWBG）β-Ga₂O₃半导体有望在低温至高温范围内工作；然而，其低温性能尚未得到充分探索。本研究通过利用莫特变程跳跃（VRH）在杂质带中的传导，展示了β-Ga₂O₃晶体管在2K下的工作。β-Ga₂O₃ FinFETs表现出增强型模式行为，在2K时阈值电压为1.87V，开关电流比超过10⁶，亚阈值摆幅为152mV/dec。此外，实现了单片集成的β-Ga₂O₃反相器集成电路，在5V电源下2K时实现4.88V的电压摆幅和28的电压增益，直流功耗为0.13μW。稳定的低温性能源于FinFET架构和精确掺杂，这些设计使得VRH成为可能，与β-Ga₂O₃沟道的双带输运模型一致，从而确立了β-Ga₂O₃低温电子学。
能够在极端温度下工作的电子器件在广泛的应用领域中备受青睐，包括低温电子学、汽车发动机控制、井下钻探和太空探索。例如，量子计算机需要工作在4K低温下的低温电子学。太空系统中的电子器件暴露于大幅度的温度变化，水星表面温度范围为90-700K，月球表面为100-400K。通常，在这些环境中工作的电子电路需要热控制或屏蔽，这导致系统尺寸和重量大、成本高。一个可行的解决方案是实现能够抵抗极端温度（低温和高温）的电子器件。使用宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体开发极端温度电子器件可能比硅更有优势，因为它们已经表现出高达500°C高温下的稳定器件性能。然而，WBG半导体的低温工作由于载流子冻结效应而显示出退化的器件性能。例如，WBG碳化硅（SiC）和体相氮化镓（GaN）在接近100K时表现出载流子冻结，导致导通电阻大幅增加和晶体管特性中阈值电压升高。GaN基异质结构中的极化诱导二维载流子气没有载流子冻结，但仅限于横向器件结构，并在100K附近表现出扭折效应。
尽管如此，UWBG β-氧化镓（β-Ga₂O₃）半导体由于其在Sn掺杂β-Ga₂O₃原生衬底中展示出直至2K的无电子冻结特性，对低温应用具有前景。另一项关于β-Ga₂O₃外延薄膜的研究显示直至40K无电子冻结。这一观察表明β-Ga₂O₃器件用于低温工作的潜力，具有以下显著优势：（1）由于其体相低温特性，横向和纵向β-Ga₂O₃器件如二极管和晶体管都可以在2K下实现；（2）低成本熔融生长原生衬底上的高质量可扩展β-Ga₂O₃外延薄膜表明其适用于各种器件，包括晶体管、二极管、逻辑电路和驱动器，可进一步促进具有大量片上功能的单片集成高紧凑低温芯片的开发；（3）Ga₂O₃具有约4.8eV的UWBG和约8MV/cm的大临界电场，对低温功率电子学具有重要意义；（4）在低温工作条件下，β-Ga₂O₃可以成为星际太空探测器的绝佳选择，其卓越的高温器件操作和抗辐射性是关键因素。
本研究首次实现了超宽禁带β-Ga₂O₃鳍式场效应晶体管（FinFETs）及逻辑反相器集成电路在2K极低温下的稳定工作，这是超宽禁带半导体在低温电子学领域的重大突破。研究团队采用FinFET架构结合精确控制的硅掺杂技术，在半绝缘（010）β-Ga₂O₃衬底上通过脉冲激光沉积生长600nm厚同质外延硅掺杂β-Ga₂O₃薄膜，开发了用于沟道的n⁻-Ga₂O₃（2.3×10¹⁸ cm⁻³）和用于欧姆接触的n⁺-Ga₂O₃（4.9×10¹⁹ cm⁻³）两种掺杂分布。器件制备采用电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀形成高宽比约6的三角形鳍结构（鳍宽104nm，鳍深596nm），原子层沉积Al₂O₃栅介质，电子束蒸发Pt/Au栅电极和Ti/Au源漏电极，每个FinFET包含55个并联鳍片。
图1 β-Ga2O3 FinFET器件：(a)三维结构示意图；(b)顶部SEM视图标注源极(S)、漏极(D)和栅极(G)；(c)鳍式沟道区域放大图显示接触间距LCH=LSD=10μm，栅长LG=4μm。掺硅β-Ga2O3薄膜：(d)原子力显微镜(AFM)表面形貌显示RMS粗糙度1.1nm，插图为(020)晶面XRD摇摆曲线弧秒；(e)PLD法制备n-/n+型β-Ga2O3薄膜性能与文献对比；(f)关键元素的电子能量损失谱(EELS)成像；(g)鳍式结构横截面TEM图像及尺寸标注；(h)300K和2K下VDS=5V时的转移特性曲线K下不同栅压VGS的输出特性曲线K温区的电学特性表征：(a)VDS=5V时的转移特性曲线V时的输出特性曲线；(c)迟滞电压ΔVHY与阈值电压VTH的变化规律；(d)亚阈值摆幅SS的温度依赖性；(e)导通电阻RON和场效应迁移率μFE的参数演变；(f)栅宽分别为175nm、150nm和104nm的β-Ga2O3 FinFET在300K和2K下的耗尽型(D-mode)与增强型(E-mode)工作特性。
图3 β-Ga2O3薄膜在不同温度下的电学特性：(a)载流子浓度n和迁移率μ，其中n在140K出现最小值；(b)电阻率ρ和(c)霍尔系数RH，红菱形标记为双带模型计算结果与实验数据精确吻合；(d)Rxx(H)曲线K时出现核磁共振(NMR)信号，表明杂质带(IB)存在，且Gxy(H)的双带模型拟合良好(黄色实线薄膜及FinFET器件中划分的三个温度区间导电机制总结；(f)亚阈值摆幅(SS)异常行为的解释，归因于T150K时杂质带传导导致的高局域态密度(Dlocalized)；(g)2-180K温度范围内电阻率ρ的莫特三维变程跳跃传导(3D VRH)模型拟合(红色实线)。
电学测试显示增强型FinFET在300K时阈值电压0.74V、开关电流比10⁷、亚阈值摆幅141mV/dec；在2K时阈值电压1.87V、开关电流比3×10⁶、亚阈值摆幅152mV/dec，关键参数随温度变化极小。这种稳定性源于β-Ga₂O₃独特的双带输运机制：变温霍尔效应测量揭示在140K以上导带传导占主导，140K以下杂质带传导逐渐占主导，电子浓度在2K时仍保持2.27×10¹⁸ cm⁻³几乎无冻结，莫特三维变程跳跃模型证实了低温下杂质带的电子传导机制。阈值电压正向偏移主要归因于界面陷阱从300K的1.59×10¹² cm⁻²eV⁻¹降至2K的约10¹⁰ cm⁻²eV⁻¹的冻结效应。
图4 沿3D示意图中切割线(橙色线K下的耗尽区与积累区。在300K时观察到更多空位界面态(Dit)和带正电的界面陷阱电荷(Nit)，而在2K时由于载流子冻结效应，大部分界面陷阱被电子填充导致Nit减少。图中EIB、EC和EF分别表示杂质带、导带和费米能级的能级位置。
图5 基于单片集成Ga2O3 NMOS反相器在5V电源电压下的电学特性：(a)电压传输特性曲线(VTC)；(b)电压增益；(c)300K和2K下的静态功耗(Pstatic)；(d)300K时5V电源电压下的噪声容限(黄色阴影区域)与转换窗口(绿色阴影区域)；(e)5V电源电压下低至2K的多温区VTC特性；(f)不同温度下提取参数VOL、VIL、VTH、VIH和VOH的变化规律。
基于单片集成的耗尽型（鳍宽175nm，VTH=-6.55V@300K）和增强型FinFETs，实现了β-Ga₂O₃ NMOS反相器集成电路，驱动器与负载电阻比约50。反相器在300K时电压摆幅4.927V（98.5%）、电压增益31、静态功耗0.88μW；在2K时电压摆幅4.88V（97.6%）、电压增益28、静态功耗0.13μW，噪声容限和转换特性在整个温度范围内保持稳定。这项工作确立了β-Ga₂O₃在量子计算、太空探索等极端温度应用中的潜力，为高度集成的低温及极端温度电子学开辟了新途径。
本研究展示了UWBG β-Ga₂O₃ FinFETs和逻辑反相器集成电路在低至2K的低温下的工作。FinFETs表现出增强型模式操作，具有稳定的器件特性，包括亚阈值摆幅、关态电流、开关电流比等随温度变化很小，这得益于缺乏载流子冻结效应。基于双带模型，得出结论：由硅掺杂杂质诱导的杂质带电子传导是T 150K低温工作的主要原因，莫特三维变程跳跃是电子传导机制。此外，单片集成的Ga₂O₃ NMOS集成电路表明了其用于低温逻辑芯片的适用性。这项工作代表了高性能UWBG Ga₂O₃电子学用于低温工作的首次演示，在低温学和极端温度电子学领域取得了重大进展。进一步，它为使用MOCVD和MBE生长薄膜的其他类型Ga₂O₃技术（用于功率和射频器件、光电探测器、存储器等）实现高度集成和紧凑的低温及极端温度电子学开辟了新的机会。
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