تطوير ترانزستورات القدرة للتطبيقات عالية الجهد يتطلب مواد ذات فجوة نطاق واسعة وشدة مجال كهربائي حرجة عالية. يتميز β-Ga2O3 أحادي الميل بعرض فجوة نطاق يبلغ حوالي 4.8 إلكترون فولت ومجال حرج محسوب يصل إلى 8 ميجافولت/سم، مما يجعله منصة واعدة لإلكترونيات القدرة. ومع ذلك، تعاني القنوات المُطعَّمة بشكل منتظم في مثل هذه الترانزستورات من مفاضلة بين الحركة والسمك: فبينما تتطلب الحركة العالية تطعيمًا خفيفًا، فإن ذلك يستلزم قناة سميكة، مما يزيد من طول البوابة ويضخم تأثيرات القناة القصيرة. التطعيم التعديلي في البنى غير المتجانسة β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 يحل هذه المشكلة بتكوين غاز إلكتروني ثنائي الأبعاد عالي الحركة دون شوائب مؤينة في القناة. سابقًا، دُرست هذه البنى بشكل أساسي للتطبيقات عالية التردد، بينما بقي إمكانها للعمل عالي الجهد غير مستكشف كثيرًا. هذا العمل يسد هذه الفجوة، مظهرًا جهد انهيار قياسيًا للترانزستورات المُطعَّمة تعديليًا على أكسيد الغاليوم.
تمت زراعة البنى غير المتجانسة بطريقة الترسيب الكيميائي المعدني العضوي من الطور الغازي (MOCVD) في مفاعل Agnitron Agilis 100 على ركائز من β-Ga2O3 المُطعَّم بالحديد (010). أولاً، تم ترسيب طبقة عازلة من β-Ga2O3 غير المُطعَّم بسماكة حوالي 100 نانومتر، ثم طبقة فاصلة من β-(Al0.19Ga0.81)2O3 بسماكة 5 نانومتر، وبعدها تم إدخال تطعيم دالي (δ-doping) بالسيليكون بجرعة 1 نانومول، وتمت زراعة طبقة حاجزة من β-(Al0.19Ga0.81)2O3 بسماكة 20 نانومتر. لتشكيل تماسي المصدر والمصرف، تم حفر حتى عمق 80 نانومتر عبر قناع من SiO2 لكشف القناة، ثم إعادة زراعة β-Ga2O3 مُطعَّم بشدة من النوع n++ بسماكة 120 نانومتر. تم ترسيب تماسي Ti/Ni بالتبخير بالحزمة الإلكترونية وتلدينها عند 470 درجة مئوية. تم عزل المناطق النشطة بالحفر بالبلازما، ولقمع تسرب البوابة، تم ترسيب 9 نانومتر من Al2O3 بطريقة الترسيب الذري الطبقي المعزز بالبلازما. تم تشكيل بوابة من Ni بسماكة 120 نانومتر بالتبخير، ثم تم تغليف الجهاز بطبقة من SiNx بسماكة 250 نانومتر مرسّبة عند 350 درجة مئوية. أجريت قياسات جهد الانهيار في سائل Flourinert لمنع الانهيار السطحي في الهواء.
أظهرت قياسات هول للقناة كثافة حاملات تبلغ 3.2×10¹² سم⁻²، وحركية 132 سم²/فولت·ثانية، ومقاومة صفائحية 14.8 كيلوأوم/مربع. الترانزستور بأبعاد LGS/LG/LGD=1.5/2/3 ميكرومتر أظهر جهد عتبة −0.7 فولت، وانحدارًا دون العتبة 94 ميجافولت/عقد، ونسبة تيارات ION/IOFF أكبر من 10⁸، وتيار تسرب في حالة الإيقاف أقل من 1.5×10⁻¹⁰ أمبير/مم. بلغ أقصى تيار مصرف 54 مللي أمبير/مم، ومقاومة في حالة التوصيل 149 أوم·مم. ازداد جهد الانهيار بشكل رتيب مع زيادة المسافة بين البوابة والمصرف: من 545 فولت عند LGD=3 ميكرومتر إلى 6.6 كيلوفولت عند LGD=28 ميكرومتر. تشبع متوسط المجال الكهربائي الجانبي عند حوالي 2.4 ميجافولت/سم لـ LGD>13 ميكرومتر. المقاومة النوعية في حالة التوصيل لجهاز LGD=28 ميكرومتر بلغت 196 مللي أوم·سم²، مما أعطى مؤشر جودة قدرة 222 ميجاواط/سم²، وهو رقم قياسي لترانزستور MODFET قائم على β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3. أظهرت محاكاة إلكتروستاتيكية ثنائية الأبعاد لـ LGD=13 ميكرومتر عند جهد 3 كيلوفولت أن المجال الذروة يتركز عند حافة البوابة ويصل إلى 12 ميجافولت/سم في الطبقة الحاجزة، مما يشير إلى إمكانية تحسين إضافي باستخدام تقنيات إدارة المجال.
يُظهر هذا العمل أن البنى غير المتجانسة المُطعَّمة تعديليًا β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 قادرة على تحمل جهود تصل إلى عدة كيلوفولت دون استخدام ألواح ميدانية أو إنهاء حوافي. وهذا يميزها عن الأبحاث المجاورة التي ركزت إما على خصائص الترددات الراديوية لهذه الترانزستورات أو على الترانزستورات عالية الجهد ذات القنوات المُطعَّمة بشكل منتظم، حيث تطلبت تقنيات معقدة لإدارة المجال. هنا، تحقق جهد الانهيار القياسي بفضل المادة نفسها والهندسة المعمارية القائمة على الغاز الإلكتروني ثنائي الأبعاد، مما يبسط التصميم ويفتح الطريق للتوسع. تضع هذه النتيجة ترانزستور β-Ga2O3 MODFET في مصاف أفضل الترانزستورات الجانبية على أكسيد الغاليوم وتؤكد إمكاناتها لإلكترونيات القدرة من الجيل التالي.
يمكن أن يسير التطوير المستقبلي نحو دمج الألواح الميدانية وتحسين الإنهاء الحوافي لتقريب متوسط مجال الانهيار من الحد النظري لـ β-Ga2O3 (8 ميجافولت/سم). تحسين جودة البنية غير المتجانسة، مثل تقليل الموصلية المتوازية في الطبقة المُطعَّمة داليًا، سيتيح رفع حركية الغاز الإلكتروني ثنائي الأبعاد وتقليل مقاومة القناة. من الواعد أيضًا توسيع نطاق طول البوابة لتقليل المقاومة النوعية في حالة التوصيل مع الحفاظ على جهد انهيار مرتفع. دراسة موثوقية الأجهزة أثناء التشغيل الطويل تحت الجهد العالي ستكون خطوة مهمة نحو التطبيق العملي.
ستؤثر النتائج على تطوير محولات القدرة، وعاكسات التيار للسيارات الكهربائية، وأنظمة نقل الطاقة، ومزودات الطاقة النبضية، حيث تتطلب أجهزة مدمجة بجهد انهيار يصل إلى عدة كيلوفولت.
تشمل الخطوات التالية إدخال ألواح ميدانية لكبح المجال الذروي عند حافة البوابة، وتحسين ملف التطعيم الدالي لرفع الحركة، وإجراء اختبارات موثوقية تحت جهود ودرجات حرارة عالية.
في مجال إلكترونيات القدرة على أكسيد الغاليوم، تبقى مشكلة تحقيق جهد انهيار مرتفع بالتزامن مع مقاومة نوعية منخفضة في حالة التوصيل دون حل. يُظهر هذا العمل أن التطعيم التعديلي يمكن أن يخفف من هذه المفاضلة، لكن المجال الذروي عند حافة البوابة لا يزال يحد من متوسط مجال الانهيار، مما يتطلب مزيدًا من البحث في إدارة المجال الكهربائي.
جهد الانهيار البالغ 6.6 كيلوفولت كافٍ للتبديل المباشر في شبكات التوزيع ذات الجهد المتوسط، والتي تعمل عادة عند 4–35 كيلوفولت، بينما يبلغ عرض الجهاز نفسه 100 ميكرومتر فقط.