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【会员论文】西安交通大学---低温下超临界流体处理后改善Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面机制
日期：2025-06-18阅读：28
由西安交通大学的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Mechanism of Improving Al2O3/β-Ga2O3 Interface After Supercritical Fluid Process at a Low Temperature（低温下超临界流体处理后改善 Al2O3/β-Ga2O3 界面机制）的文章。
项目支持
本研究的由国家自然科学基金委员会（项目编号：62204198）、国家自然科学基金委员会联合基金（项目编号：U23A20367）资助。
背 景
β-Ga2O3 作为超宽禁带半导体，因其高击穿电压和快速开关特性，在高功率器件应用中受到广泛关注。然而，β-Ga2O3 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）器件的性能和可靠性受到半导体与绝缘层之间界面态性质的显著影响。因此，高质量的介质/β-Ga2O3 界面在形成高性能 MOSFET 中起着至关重要的作用。这些界面缺陷，特别是氧空位，会捕获载流子，导致严重的迟滞现象、阈值电压漂移、载流子迁移率降低和漏电流增加。传统的界面钝化方法（如高温退火）可能会对材料造成损伤，并且无法完全消除所有缺陷。因此，需要一种低温、高效的方法来改善 Al2O3/β-Ga2O3 界面质量。
主要内容
β-Ga2O3 作为超宽禁带半导体，因其高击穿电压和快速开关特性而备受关注。然而，Al2O3/β-Ga2O3 界面处的高界面密度带来了挑战，这会显著影响金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）器件的性能和可靠性。作为一种低温解决方案，超临界流体工艺（SCFP）被引入 Al2O3/β-Ga2O3 金属氧化物半导体电容器（MOSCAP）的制备过程，该工艺有效减少了氧空位和界面缺陷，特别避免了高温对材料造成的损伤。界面附近的陷阱减少了两倍，界面态减少了五倍。因此，击穿电场从 6.01 MV cm−1 提高到 8.47 MV cm−1。通过不同的测量和分析方法，探索并解释了 SCFP 的机制。深能级瞬态光谱（DLTS）结果表明，SCFP 器件的缺陷浓度降低，电子俘获截面增加。超临界流体处理通过减少 Al2O3 中的氧空位来钝化陷阱。研究结论指出，所提出的SCFP 显著改善了介质/半导体界面，这可大幅提升晶体管的性能。
创新点
•将超临界流体工艺（SCFP）引入到 Al2O3/β−Ga2O3 界面钝化中，提供了一种低温且高效的解决方案，避免了传统高温退火可能造成的材料损伤。
•实验证明 SCFP 能显著减少近界面陷阱约 2 倍，并将界面态密度降低约 5 倍。这通过补充氧原子并形成新的 Ga-O 键来有效修复氧空位。
•通过 SCFP 处理，器件的击穿电场从 6.01 提高到 8.47 MV/cm−1，迟滞电压从1.3 V降低到0.3 V，并且漏电流也得到有效抑制。
•通过结合 C-V、DLTS 和 XPS 等多种先进表征和理论模拟方法，系统地揭示了 SCFP 改善 Al2O3/β−Ga2O3 界面质量的具体物理和化学机制。
结 论
本次研究成功制备了 Al2O3/β-Ga2O3 MOSCAPs。首先开发了 SCFP 处理方法以提升 Al2O3/β-Ga2O3 界面质量。界面附近的陷阱密度 Nbt 从 5.6 × 1011 降至 3.6 × 1011 cm−2，而界面态密度 Dit 在电子能级（EC）下方 0.2 eV 处的值从 1.29 × 1012 降至 2.54 × 1011 eV−1 cm−2。DLTS 结果表明，SCF 器件的陷阱能级位置更深，缺陷浓度降低，且陷阱发射能级更深，这进一步支持了器件界面质量的提升。此外，经过 SCFP 处理后，击穿电场从 6.01 提升至 8.47 MV cm−1。此外，XPS 分析表明，SCFP 处理可通过减少 Al2O3 中的氧空位来钝化陷阱。本研究首次系统研究了 SCFP 作用及其对 Al2O3/β-Ga2O3 MOS 器件的影响，提供了详细的方法描述、测试表征及机理分析。β-Ga2O3 中使用的其他氧化物界面也值得深入研究。SCFP 工艺因其高效率、低成本工艺消耗及简单工艺流程，在制造工艺中的应用前景广阔。本研究提供了系统性研究方法，为后续相关工作奠定了坚实基础。
图1. (a) Al2O3/β-Ga2O3 (001) MOSCAP的截面示意图。 (b) SCFP设备的示意图。
图2. (a) 三个样品的 C–V 滞后测量。 (b)–(d) SPM、PDA 和 SCF 样品中 Al2O3 的原子力显微镜图像，分别对应于各样品。
DOI：
doi.org/10.1109/TED.2025.3544174
