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【国内论文】深圳大学宽禁带半导体功率器件刘新科研究员团队:高温O₂退火对Al₂O₃/Ga₂O₃界面质量的影响

日期:2025-09-12阅读:114

        超宽禁带半导体氧化镓(β-Ga2O3)因其极高的临界击穿场强和大尺寸衬底制备潜力,在下一代超高功率电力电子器件中展现出巨大的应用前景。在β-Ga2O3 MOSFET器件中,金属氧化物半导体电容器(MOSCAP)是构成器件的核心结构,但是面临金属氧化物半导体(MOS)界面质量差、界面态密度高的问题,严重制约了高性能MOS场效应晶体管(MOSFET)的实现。

        传统的β-Ga2O3表面预处理方法,如Piranha、BOE、HF等湿法化学处理或 O2CF4、N等离子体处理,工艺流程复杂、成本较高,且改善效果有限,甚至可能对 β-Ga2O表面造成损伤。因此,开发一种高效且低成本的表面钝化技术,已成为该领域的迫切需求。

        本研究采用了一种工艺简单、生产成本较低的热处理技术对 β-Ga2O表面进行预处理。该技术通过在高纯氧气氛围中,采用1300K高温短时间的退火工艺,在Ga2O3晶体表面引入氧原子填补Ga2O3晶体表面的氧空位,对Ga2O3表面进行钝化。制备出的Al2O3/Ga2O3 MOSCAP表现出低界面陷阱密度(Dit)约为1.6×1011 cm-2 eV-1。表现出低频依赖的平带电压偏移(ΔVFBf ))约为40 mV(从1 kHz到1 MHz)。

 

图1 (a) 垂直Ga2O3 MOS电容器的结构示意图 (b) (c) (d) (f) (g) 为实验组样品在Al2O3/Ga2O3界面处高分辨率 TEM 图像 (e) (h) 为采用第一性原理计算的方法评估β-Ga2O3晶胞的d(001)晶面间距 (i) (j)为样品在1kHz~1MHz频率下的C-V曲线 (k) 样品在积累区的频率分散特性。

 

图2 (a) 在298、398和473K的测量温度下通过C-V曲线提取的正向VFB (b) 在298、398和473K 的温度下通过C-V曲线提取的正向ΔVFBf ),其中ΔVFB ( f )是当测试频率从1 kHz增加到1 MHz时的平带电压偏移。 (c) 在(300K~475K)的温度下,电子的特征响应频率f与样品陷阱能级(ECB - ET)的函数关系 (d) 界面陷阱密度Dit与样品陷阱能量(ECB - ET)的函数关系。

 

团队介绍

        刘新科,深圳大学功率半导体器件及AI能源监测工程技术研究所所长,材料学院、射频异质异构集成全国重点实验室研究员,英国物理学会会士(FInstP,2025),英国皇家化学会士(FRSC,2024),博士研究生导师。一直从事宽禁带半导体氮化镓材料与器件的研究工作,以第一作者/通讯作者在国际学术期刊Materials Today、Advanced Materials、IEEE EDL/TED等发表121篇SCI论文,在IEDM、ISPSD、IEEE EDL/TED、APL、JAP国际知名学术期刊/顶级会议发表文章共计28篇。主持国家科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金(青年和面上)、广东省自然科学基金杰出青年项目等重要科研项目。作为第一完成人或个人,   2021年度广东省高校科技成果转化总决赛铜奖、2022年广东省科技进步二等奖、2022年中国电子学会科技进步二等奖、2022年广东省电子学会科技进步二等奖、2023年深圳市青年科技奖。

 

文章信息

The effect of O2 high-temperature annealing on the quality of Al2O3/Ga2O3 interface

Chunyan Chen; Yutong Wu; Bing Jiang; Zhixiang Zhong; Fan Yang; Xinke Liu

Appl. Phys. Lett. 127, 061602 (2025)

https://doi.org/10.1063/5.0284936