成功驗證溝漕型r-GeO₂ MOSFET的電晶體運作

2026年3月31日

Patentix株式會社（以下稱「本公司」）已成功利用備受矚目的下一代功率半導體材料金紅石型二氧化锗（r-GeO₂）製造出溝漕型MOSFET，並成功驗證了其電晶體運作。MOSFET是基礎的功率元件之一，此次成果為未來實現增強型MOSFET奠定了重要基礎。

【背景】

金紅石型二氧化锗（r-GeO₂）擁有比碳化矽（SiC）或氮化鎵（GaN）更大的帶隙（4.68 eV），且理論上預測其同時具備p型和n型導電性，因此被視為能夠實現高耐壓、高功率、高效率功率半導體元件的下一代半導體材料而備受關注。

本公司迄今已確立了以锑（Sb）作為摻雜劑的n型r-GeO₂薄膜沉積及導電性控制技術，並成功實現了透過n+層沉積來達成歐姆接觸[1]，以及透過n層沉積來驗證蕭特基勢壘二極體（SBD）的運作[2]。另一方面，同樣作為基礎功率元件之一的MOSFET，其早期實現一直備受期待。

【先前研究】

關於r-GeO₂ MOSFET的先前研究案例包括，利用濺鍍沉積技術在SiO₂/p+ Si基板上形成GeO₂薄膜，從而報告了FET的運作[3]。此外，在2025年11月，透過離子注入磷到以TSSG法生長的r-GeO₂單晶中，確認了MOSFET的運作。然而，利用預期具有大面積基板和高成本競爭力的異質外延薄膜來驗證MOSFET運作的案例，此前並未有報告。

【成果】

此次，本公司充分運用至今已確立的薄膜沉積技術，成功驗證了僅由n型r-GeO₂即可製造的溝漕型MOSFET的電晶體運作。

圖1（a）（b）顯示了所製造的r-GeO₂ MOSFET的截面示意圖和光學顯微鏡影像。在r-TiO₂基板上，透過沉積摻雜雜質的r-GeO₂薄膜形成電流阻斷層，並在其上透過選擇性成長沉積Sb摻雜的n型通道層（厚度160 nm）及源極/汲極n+層，從而製造出具有元件隔離結構且歐姆接觸電阻降低的MOSFET。閘極絕緣膜採用SiO₂（膜厚75 nm），電極則使用Pt/Ti。在此元件結構中，透過施加負閘極電壓，可使閘極絕緣膜正下方的空乏層擴展，從而阻斷汲極-源極間的電流路徑，實現電流關斷。

圖1：r-GeO₂ MOSFET的（a）截面示意圖與（b）光學顯微鏡影像

圖2（a）顯示了所製造的r-GeO₂ MOSFET的ID-VG特性。汲極電流ID隨著閘極電壓VG的變化而變化，具有超過五個數量級的開關比，驗證了負閘極電壓下電流關斷的溝漕型電晶體運作。同圖所示的遲滯迴線測量顯示，隨著閘極電壓的施加，特性變動被抑制在較小範圍內，這表明即使在製程條件未最佳化的情況下，也形成了缺陷較少的閘極絕緣膜介面。

此外，圖2（b）所示的ID-VD特性確認了隨著汲極電壓VD的增加，從線性特性轉移到飽和特性的典型行為。

圖2：r-GeO₂ MOSFET的（a）ID-VG特性與（b）ID-VD特性

【未來展望】

為了證明r-GeO₂作為功率半導體材料的實用性，今後將致力於確立p型r-GeO₂的製造技術，並推進應用該技術的增強型MOSFET運作驗證相關研究。

[1] Y. Shimizu, et al., N-type conductivity in single-phase r-GeO₂ thin films., 2024 MRS Fall Meeting & Exhibit, SF04.15.08 (2024).

[2] 清水悠吏 等, 「ルチル構造二酸化ゲルマニウム(r-GeO₂)のショットキーバリアダイオード特性」, 第72回応用物理学会春季学術講演会, 15a-K403-11(2025).

[3] D. Dai, et al. "Demonstration of enhancement-mode high-k gated field-effect transistors with a novel ultrawide bandgap semiconductor: Germanium oxide." APL Materials 13.7 (2025).

[4] K. Tetzner, et al. "Lateral rutile GeO₂ MOSFET devices on single-crystal r-GeO₂ substrates." IEEE Electron Device Letters (2025).