由西安交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發(fā)布了一篇名為 Mechanism of Improving Al₂O₃/β-Ga₂O₃ Interface After Supercritical Fluid Process at a Low Temperature（低溫下超臨界流體處理后改善 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面機(jī)制）的文章。

1. 項(xiàng)目支持

本研究的由國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)（項(xiàng)目編號(hào)：62204198）、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合基金（項(xiàng)目編號(hào)：U23A20367）資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為超寬禁帶半導(dǎo)體，因其高擊穿電壓和快速開(kāi)關(guān)特性，在高功率器件應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注。然而，β-Ga₂O₃ 金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的性能和可靠性受到半導(dǎo)體與絕緣層之間界面態(tài)性質(zhì)的顯著影響。因此，高質(zhì)量的介質(zhì)/β-Ga₂O₃ 界面在形成高性能 MOSFET 中起著至關(guān)重要的作用。這些界面缺陷，特別是氧空位，會(huì)捕獲載流子，導(dǎo)致嚴(yán)重的遲滯現(xiàn)象、閾值電壓漂移、載流子遷移率降低和漏電流增加。傳統(tǒng)的界面鈍化方法（如高溫退火）可能會(huì)對(duì)材料造成損傷，并且無(wú)法完全消除所有缺陷。因此，需要一種低溫、高效的方法來(lái)改善 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面質(zhì)量。

3. 主要內(nèi)容

β-Ga₂O₃ 作為超寬禁帶半導(dǎo)體，因其高擊穿電壓和快速開(kāi)關(guān)特性而備受關(guān)注。然而，Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面處的高界面密度帶來(lái)了挑戰(zhàn)，這會(huì)顯著影響金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）器件的性能和可靠性。作為一種低溫解決方案，超臨界流體工藝（SCFP）被引入 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 金屬氧化物半導(dǎo)體電容器（MOSCAP）的制備過(guò)程，該工藝有效減少了氧空位和界面缺陷，特別避免了高溫對(duì)材料造成的損傷。界面附近的陷阱減少了兩倍，界面態(tài)減少了五倍。因此，擊穿電場(chǎng)從 6.01 MV cm⁻¹ 提高到 8.47 MV cm⁻¹。通過(guò)不同的測(cè)量和分析方法，探索并解釋了 SCFP 的機(jī)制。深能級(jí)瞬態(tài)光譜（DLTS）結(jié)果表明，SCFP 器件的缺陷濃度降低，電子俘獲截面增加。超臨界流體處理通過(guò)減少 Al₂O₃ 中的氧空位來(lái)鈍化陷阱。研究結(jié)論指出，所提出的SCFP 顯著改善了介質(zhì)/半導(dǎo)體界面，這可大幅提升晶體管的性能。

4. 創(chuàng)新點(diǎn)

•將超臨界流體工藝（SCFP）引入到 Al₂O₃/β−Ga₂O₃ 界面鈍化中，提供了一種低溫且高效的解決方案，避免了傳統(tǒng)高溫退火可能造成的材料損傷。

•實(shí)驗(yàn)證明 SCFP 能顯著減少近界面陷阱約 2 倍，并將界面態(tài)密度降低約 5 倍。這通過(guò)補(bǔ)充氧原子并形成新的 Ga-O 鍵來(lái)有效修復(fù)氧空位。

•通過(guò) SCFP 處理，器件的擊穿電場(chǎng)從 6.01 提高到 8.47 MV/cm⁻¹，遲滯電壓從1.3 V降低到0.3 V，并且漏電流也得到有效抑制。

•通過(guò)結(jié)合 C-V、DLTS 和 XPS 等多種先進(jìn)表征和理論模擬方法，系統(tǒng)地揭示了 SCFP 改善 Al₂O₃/β−Ga₂O₃ 界面質(zhì)量的具體物理和化學(xué)機(jī)制。

5. 結(jié)論

本次研究成功制備了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOSCAPs。首先開(kāi)發(fā)了 SCFP 處理方法以提升 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面質(zhì)量。界面附近的陷阱密度 N_bt 從 5.6 × 10¹¹ 降至 3.6 × 10¹¹ cm⁻²，而界面態(tài)密度 D_it 在電子能級(jí)（E_C）下方 0.2 eV 處的值從 1.29 × 10¹² 降至 2.54 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²。DLTS 結(jié)果表明，SCF 器件的陷阱能級(jí)位置更深，缺陷濃度降低，且陷阱發(fā)射能級(jí)更深，這進(jìn)一步支持了器件界面質(zhì)量的提升。此外，經(jīng)過(guò) SCFP 處理后，擊穿電場(chǎng)從 6.01 提升至 8.47 MV cm⁻¹。此外，XPS 分析表明，SCFP 處理可通過(guò)減少 Al₂O₃ 中的氧空位來(lái)鈍化陷阱。本研究首次系統(tǒng)研究了 SCFP 作用及其對(duì) Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 器件的影響，提供了詳細(xì)的方法描述、測(cè)試表征及機(jī)理分析。β-Ga₂O₃ 中使用的其他氧化物界面也值得深入研究。SCFP 工藝因其高效率、低成本工藝消耗及簡(jiǎn)單工藝流程，在制造工藝中的應(yīng)用前景廣闊。本研究提供了系統(tǒng)性研究方法，為后續(xù)相關(guān)工作奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1. (a) Al₂O₃/β-Ga₂O₃ (001) MOSCAP的截面示意圖。 (b) SCFP設(shè)備的示意圖。

圖2. (a) 三個(gè)樣品的 C–V 滯后測(cè)量。 (b)–(d) SPM、PDA 和 SCF 樣品中 Al₂O₃ 的原子力顯微鏡圖像，分別對(duì)應(yīng)于各樣品。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3544174

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)