【会员论文】湖南大学卢继武教授团队：高性能ZrO₂/β-Ga₂O₃ (001) 金属-绝缘体-半导体电容器

        本研究部分由湖南省自然科学基金（项目编号：2023JJ30146）资助和长沙市杰出青年科技人才培养计划（项目编号：kq2301006）资助。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带和高击穿场强等优势，是制造下一代高功率器件的极具前景的材料。对于 β-Ga₂O₃ 基金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFETs）而言，高质量的栅极介质层/Ga₂O₃ 界面至关重要。理想的界面应具有较大的导带带阶（ΔE_C > 1 eV）以抑制栅极漏电流，以及尽可能低的界面陷阱电荷密度（D_it）以避免阈值电压不稳定和电子迁移率下降等问题。 尽管氧化铝（Al₂O₃）是目前常用的栅介质，但其与 Ga₂O₃ 的界面热稳定性存在问题。而其他介质如 HfO₂ 则在 Ga₂O₃ 上表现出较大的频率色散或较差的界面质量。因此，开发一种与 (001) 取向 β-Ga₂O₃ 能形成高质量界面的新型高 k 介质材料势在必行。氧化锆（ZrO₂）因其高介电常数和宽带隙而成为一个有吸引力的候选者。 

        在本研究中，研究团队利用原子层沉积的 ZrO₂/β-Ga₂O₃(001) 异质结制备了高性能金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。研究了 ZrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结的能带对齐以及 ZrO₂/β-Ga₂O₃ MIS 电容器的电学性能。通过 X 射线光电子能谱（XPS）技术测定的 ZrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结的价带偏移（ΔE_V）和导带偏移（ΔE_C）分别为−0.42 eV和1.42 eV。其能带对齐结构呈现II型（阶梯能隙）结构。对 ZrO₂/β-Ga₂O₃ 金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器的栅极漏电流及频率依赖性电容-电压（C–V）特性进行了研究。ZrO₂/β-Ga₂O₃ MIS电容器表现出较低的栅极漏电流。采用 Poole-Frenkel（PF）导电模型阐明栅极漏电流机制。基于频率依赖性 C–V 特性，未观察到显著的频率色散。ZrO₂ 薄膜中的固定电荷和陷阱电荷密度分别计算为 7.9×10¹² 和 1.27×10¹² cm⁻²。在 β-Ga₂O₃ 导带下方 0.6 eV 的能量下，界面困住电荷密度被提取为 4.1×10¹⁰ cm⁻²⋅eV⁻¹，这是迄今为止在介质/β-Ga₂O₃ (001)界面中报告的最低值。这些结果表明在 β-Ga₂O₃ 上形成了高质量的 ZrO₂ 薄膜，使其成为 β-Ga₂O₃ 功率器件中栅极介质的潜在候选材料。

        研究团队成功制备了高性能的 ZrO₂/β-Ga₂O₃ (001)金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。通过 XPS 测量确定了 ZrO₂ 与 β-Ga₂O₃ (001)之间的能带对齐。ZrO₂/β-Ga₂O₃ (001)异质结的电位差（E_V）和电位差（E_C）分别确定为 −0.42 eV 和 1.40 eV。ZrO₂/β-Ga₂O₃(001)异质结的能带对齐结构呈现 II 型（错位能隙）结构。尽管 ZrO₂ 与 β-Ga₂O₃ 之间的 E_V 存在微小差异，但超过 1 eV 的 E_C 为电子从 β-Ga₂O₃ 向 ZrO₂ 的传输提供了较大势垒。ZrO₂/β-Ga₂O₃ 金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器展现出较低的 J 值。为进一步探究 MIS电容器的漏电流机制，在排除其他模型后采用了 PF 模型。ZrO₂ 的 ε_r 值确定为 20.0，与先前报道的值一致。对 ZrO₂/β-Ga₂O₃（001）MIS 电容器的电学性能 C–V 曲线分析，得到了 Q_f 和 N_bt 的提取值分别为 7.9 × 10¹² 和 1.27 × 10¹² cm⁻²。ZrO₂/β-Ga₂O₃ MIS 电容器在 β-Ga₂O₃ (001) 表面电位 (E_C) 下 0.6 eV 的能量下，最小 D_it 值被提取为 4.1 × 10¹⁰ cm⁻²·eV⁻¹，据了解，这是介质/β-Ga₂O₃ (001) 界面报告的最低值。这些发现表明，通过原子层沉积（ALD）制备的高介电常数 ZrO₂ 具有作为高性能 β-Ga₂O₃（001）金属-绝缘体-半导体场效应晶体管（MISFET）栅极绝缘层的潜力。

图1. 用于确定ZrO₂/β-Ga₂O₃异质结的ΔE_C的XPS光谱，分别使用（a）β-Ga₂O₃ 外延片的 Ga 3d5/2 峰和（b）VBM 光谱，（c）（40 nm）ZrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结的 Zr 3d5/2 峰和（d）VBM 光谱，以及（e）（4 nm）ZrO₂/β-Ga₂O₃ 异质结的 Ga 3d5/2 峰和（f）Zr 3d5/2 峰。

图2. (a) 和 (b) 分别显示了 β-Ga₂O₃ 外延片以及(40 nm) ZrO₂/β-Ga₂O₃ 的 O 1s 能量损失光谱，(c) 则显示了 ZrO₂/β-Ga₂O₃ (001) 异质结的能带图。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3549382