Vertical metal–oxide–semiconductor field effect transistor (MOSFET) is essential to the future application of ultrawide bandgap β-Ga2O3. In this work, we demonstrated an enhancement-mode β-Ga2O3 U-shaped gate trench vertical metal–oxide–semiconductor field effect transistor (UMOSFET) featuring a current blocking layer (CBL). The CBL was realized by high-temperature annealing under oxygen ambient, which provided electrical isolation between the source and drain electrodes. The CBL thicknesses of different annealing temperatures were derived from C–V measurements and the Fermi level position of the sample surfaces of different annealing temperature was characterized by x-ray photoelectron spectroscopy measurements, indicating good process controllability. Furthermore, photoluminescence spectra were measured to study the effect of oxygen annealing. The fabricated UMOSFET showed normally off with a Vth of 11.5 V, an on-state resistance of 1.48 Ω cm2, a maximum on-state current of 11 A/cm2, an on–off ratio of 6 × 104, and a three-terminal breakdown voltage over 100 V. This work paves a way to form a CBL and broadens the design space for high-power β-Ga2O3 vertical transistors.

1.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
A.
Koukitu
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
034001
(
2016
).
2.
S. J.
Pearton
,
J. C.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
3.
Z.
Feng
,
A. F. M. A. U.
Bhuiyan
,
Z.
Xia
,
W.
Moore
,
Z.
Chen
,
J. F.
McGlone
,
D. R.
Daughton
,
A. R.
Arehart
,
S. A.
Ringel
,
S.
Rajan
, and
H.
Zhao
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
2000145
(
2020
).
4.
H.
Dong
,
H.
Xue
,
Q.
He
,
Y.
Qin
,
G.
Jian
,
S.
Long
, and
M.
Liu
,
J. Semicond.
40
,
011802
(
2019
).
5.
Y.
Tomm
,
P.
Reiche
,
D.
Klimm
, and
T.
Fukuda
,
J. Cryst. Growth
220
,
510
514
(
2000
).
6.
Z.
Galazka
,
R.
Uecker
,
D.
Klimm
,
K.
Irmscher
,
M.
Naumann
,
M.
Pietsch
,
A.
Kwasniewski
,
R.
Bertram
,
S.
Ganschow
, and
M.
Bickermann
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q3007
Q3011
(
2017
).
7.
A.
Kuramata
,
K.
Koshi
,
S.
Watanabe
,
Y.
Yamaoka
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Jpn. J. Appl. Phys.
55
,
1202A2
(
2016
).
8.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
013504
(
2012
).
9.
A.
Bhattacharyya
,
P.
Ranga
,
S.
Roy
,
C.
Peterson
,
F.
Alema
,
G.
Seryogin
,
A.
Osinsky
, and
S.
Krishnamoorthy
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1272
1275
(
2021
).
10.
T.
Kamimura
,
Y.
Nakata
,
M. H.
Wong
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1064
1067
(
2019
).
11.
Y.
Lv
,
X.
Zhou
,
S.
Long
,
Y.
Wang
,
X.
Song
,
X.
Zhou
,
G.
Xu
,
S.
Liang
,
Z.
Feng
,
S.
Cai
,
X.
Fu
,
A.
Pu
, and
M.
Liu
,
Phys. Status Solidi RRL
14
,
1900586
(
2020
).
12.
S.
Sharma
,
K.
Zeng
,
S.
Saha
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
836
839
(
2020
).
13.
M. H.
Wong
and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
3925
3937
(
2020
).
14.
W.
Li
,
K.
Nomoto
,
Z.
Hu
,
T.
Nakamura
,
D.
Jena
, and
H. G.
Xing
, in
2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Technical Digest
(
IEEE
,
2019
), p.
12.4.1
.
15.
K.
Zeng
,
R.
Soman
,
Z.
Bian
,
S.
Jeong
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
1527
1530
(
2022
).
16.
M. H.
Wong
,
K.
Goto
,
Y.
Morikawa
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Express
11
,
064102
(
2018
).
17.
M. H.
Wong
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
431
434
(
2019
).
18.
M. H.
Wong
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
296
299
(
2020
).
19.
M. H.
Wong
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
M.
Higashiwaki
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
012102
(
2021
).
20.
H.
Fu
,
K.
Fu
,
S.
Chowdhury
,
T.
Palacios
, and
Y.
Zhao
,
IEEE Trans. Electron Devices
68
,
3212
3222
(
2021
).
21.
D.
Bharti
and
A.
Islam
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
615
621
(
2018
).
22.
D.
Ji
,
C.
Gupta
,
A.
Agarwal
,
S. H.
Chan
,
C.
Lund
,
W. W.
Li
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
711
714
(
2018
).
23.
D.
Ji
,
W. W.
Li
,
A.
Agarwal
,
S. H.
Chan
,
J.
Haller
,
D.
Bisi
,
M.
Labrecque
,
C.
Gupta
,
B.
Cruse
,
R.
Lal
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1030
1033
(
2018
).
24.
W.
Li
,
H. G.
Xing
,
K.
Nomoto
,
K.
Lee
,
S. M.
Islam
,
Z.
Hu
,
M.
Zhu
,
X.
Gao
,
M.
Pilla
, and
D.
Jena
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
2558
2564
(
2018
).
25.
T.
Oshima
,
T.
Okuno
,
N.
Arai
,
N.
Suzuki
,
S.
Ohira
, and
S.
Fujita
,
Appl. Phys. Express
1
,
011202
(
2008
).
26.
T.
Oshima
,
K.
Kaminaga
,
A.
Mukai
,
K.
Sasaki
,
T.
Masui
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
,
S.
Fujita
, and
A.
Ohtomo
,
Jpn. J. Appl. Phys.
52
,
051101
(
2013
).
27.
M. J.
Tadjer
,
J.
Freitas
,
J.
Culbertson
,
M.
Weber
,
E. R.
Glaser
,
A.
Mock
,
N.
Mahadik
,
K. J.
Schmieder
,
E.
Jackson
,
J.
Gallagher
,
B.
Feigelson
, and
A.
Kuramata
,
J. Phys. D
53
,
504002
(
2020
).
28.
Q.
He
,
X.
Zhou
,
Q.
Li
,
W.
Hao
,
Q.
Liu
,
Z.
Han
,
K.
Zhou
,
C.
Chen
,
J.
Peng
,
G.
Xu
,
X.
Zhao
,
X.
Wu
, and
S.
Long
,
IEEE Electron Device Lett.
43
,
1933
(
2022
).
29.
B. E.
Kananen
,
L. E.
Halliburton
,
K. T.
Stevens
,
G. K.
Foundos
,
N. C.
Giles
,
G. C.
Hu
,
C. X.
Shan
,
N.
Zhang
,
M. M.
Jiang
,
S. P.
Wang
, and
D. Z.
Shen
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
202104
(
2017
).
30.
A.
Karjalainen
,
I.
Makkonen
,
J.
Etula
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
F.
Tuomisto
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
072104
(
2021
).
31.
A.
Karjalainen
,
P. M.
Weiser
,
I.
Makkonen
,
V. M.
Reinertsen
,
L.
Vines
,
F.
Tuomisto
,
I.
Makkonen
,
J.
Etula
,
K.
Goto
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
, and
F.
Tuomisto
,
J. Appl. Phys.
129
,
165702
(
2021
).
32.
R.
Sun
,
Y. K.
Ooi
,
G. C.
Hu
,
C. X.
Shan
,
N.
Zhang
,
M. M.
Jiang
,
S. P.
Wang
, and
D. Z.
Shen
,
J. Phys. D
54
,
174004
(
2021
).
33.
S. K.
Swain
,
M. H.
Weber
,
J.
Jesenovec
,
M.
Saleh
,
K. G.
Lynn
,
J. S.
McCloy
,
G. C.
Hu
,
C. X.
Shan
,
N.
Zhang
,
M. M.
Jiang
,
S. P.
Wang
, and
D. Z.
Shen
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
054010
(
2021
).
34.
L. P.
Dong
,
R. X.
Jia
,
B.
Xin
, and
Y. M.
Zhang
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
060602
(
2016
).
35.
L.
Sun
,
M.
Zhao
,
F.
Wang
,
W.
Jiang
,
J.
Guo
,
J.
Li
, and
J.
Dai
,
J. Nanosci. Nanotechnol.
20
,
2395
2401
(
2020
).
36.
Q. D.
Ho
,
T.
Frauenheim
, and
P.
Deák
,
Phys. Rev. B
97
,
115163
(
2018
).
37.
C.
Liu
,
Y.
Berencen
,
J.
Yang
,
Y. D.
Wei
,
M.
Wang
,
Y.
Yuan
,
C.
Xu
,
Y.
Xie
,
X.
Li
, and
S.
Zhou
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
095022
(
2018
).
38.
T.
Onuma
,
S.
Fujioka
,
T.
Yamaguchi
,
M.
Higashiwaki
,
T. M. K.
Sasaki
, and
A. T.
Honda
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
041910
(
2013
).
39.
A.
Vaidya
,
C. N.
Saha
, and
U.
Singisetti
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
1444
1447
(
2021
).
40.
P.
Döring
,
M.
Sinnwell
,
R.
Reiner
,
R.
Driad
,
P.
Waltereit
,
S.
Leone
,
S.
Müller
,
M.
Mikulla
, and
O.
Ambacher
,
J. Appl. Phys.
131
,
114502
(
2022
).
41.
W.
Tang
,
J.
Zhou
,
G.
Yu
,
X.
Wei
,
W.
Tang
,
L.
Zhang
,
W.
Liu
,
T.
Chen
,
Z.
Yu
,
H.
Wang
,
X.
Zhang
,
W.
Lin
,
Z.
Huang
,
R.
Huang
,
Y.
Cai
, and
B.
Zhang
,
Appl. Phys. Express
15
,
076502
(
2022
).
You do not currently have access to this content.