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【会员论文】西交大联合西电郝跃院士团队：低温超临界流体技术增强β-Ga₂O₃肖特基二极管界面特性

日期：2025-09-25阅读：91

由西安交通大学联合西安电子科技大学郝跃院士团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为 Enhanced β-Ga₂O₃ Schottky diode interface characteristics via low-temperature supercritical fluid technology（低温超临界流体技术增强 β-Ga₂O₃肖特基二极管界面特性）的文章。

项目支持

本研究得到粤港关键领域研发计划（项目编号：2023A0505010012）和国家自然科学基金联合基金（项目编号：U23A20367）的资助。

背景

β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体（4.5–4.9 eV），凭借高临界场强和优异热稳定性，被广泛认为是下一代高功率/高温电子器件的核心材料。随着大尺寸 β-Ga₂O₃ 衬底制备技术的成熟，其商业化前景大幅提升。然而，要实现高性能 β-Ga₂O₃ 器件，亟需优化外延层质量并降低界面陷阱密度，从而抑制漏电、延迟击穿并提升整体可靠性。其中，金属–半导体界面特性对肖特基势垒二极管（SBD）的性能具有决定性作用，因此界面工程成为研究重点。传统界面处理方法，如等离子体处理、低温退火和包层设计，虽能一定程度改善性能，但往往存在陷阱抑制有限或工艺损伤等问题。近年来，超临界流体（SCF）技术因兼具高扩散性和高溶解性，在低温（约120 °C）条件下可有效修复界面缺陷而避免热损伤，在多种器件中展现出优势。与原子层沉积或等离子体处理相比，SCF 工艺具备低温、无损伤、环保等优点，因而为 β-Ga₂O₃ 器件界面优化提供了一条新途径。

主要内容

本研究系统地探讨了超临界流体（SCF）N₂O 处理对 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）的影响。电容-电压（C–V）分析表明，SCF 处理后 β-Ga₂O₃ 漂移层的载流子浓度略有下降。值得注意的是，经处理的 SBD 在电学性能上表现出显著提升：击穿电压从 355 V 提升至 551 V，反向电流密度降低约两个数量级，Baliga 优值提高了 92.8%。温度依赖的正向电流-电压测试进一步表明，SCF 处理器件在高温下具有更优异的工作稳定性。更为关键的是，频率依赖的电导测量揭示界面态密度显著下降，从 2.62 × 10¹²–1.14 × 10¹³ cm⁻² eV⁻¹ 降至 8.5×10¹¹–3.30×10¹²cm⁻²eV⁻¹，同时陷阱激活能也从 0.211–0.220 eV 降至 0.209–0.220 eV。研究结果确立了 SCF 处理作为 β-Ga₂O₃ SBD 界面工程与性能优化的有效手段。

总结

总之，本研究系统探讨了 SCF N₂O 处理对 β-Ga₂O₃ SBD 性能与可靠性的影响。结果表明，经过 SCF 处理后，β-Ga₂O₃ SBD 的 BFOM 值提升了 92.8%，其热稳定性也显著改善。结合 XPS 表征结果，这一现象可归因于超临界状态下 N₂O 分解所形成的 O 原子向 β-Ga₂O₃ 材料扩散并发生反应，从而作用于 β-Ga₂O₃ 肖特基界面。频率依赖电导测试进一步定量证实了 β-Ga₂O₃ SBD 的界面态密度降低了 70%。研究结果表明，SCF 处理是一种有效的 β-Ga₂O₃ 器件界面工程策略。同时，SCF 处理在高压 MOSFET 及其他超宽禁带半导体器件的应用与研究中展现出重要潜力。

图 1. (a) 所制备的垂直型 β-Ga₂O₃ SBD 器件结构；(b) 超临界流体（SCF）高压系统的构型；(c) 和 (d) 分别为经 SCF 表面预处理前后 β-Ga₂O₃ 的 AFM 表面形貌图。

图 2. β-Ga₂O₃ SBD 在 1 MHz 下 (a) SCF 处理前和 (b) SCF 处理后的 C–V 与 1/C²–V 特性曲线。

图3. (a) β-Ga₂O₃ SBD 在 SCF 处理前后的半对数坐标正向 J–V 特性，以及 (b) 线性坐标下的正向 J–V 特性与提取的 R_on,sp 随正向偏压的变化。(c) η 与 (d) R_on,sp 的箱线图，对比了八组器件在 SCF 处理前后的表现。

图4. (a) β-Ga₂O₃ SBD 在 SCF 处理前后的反向 J–V 特性。(b) 八组器件在 SCF 处理前后的击穿电压（BV）箱线图对比。

图5. (a) SCF 处理前β-Ga₂O₃ SBD 的正向 J–V–T 特性曲线；(b) SCF 处理后β-Ga₂O₃ SBD 的正向 J–V–T 特性曲线；(c) 基于 300–425 K 测量的 I_on/I_off 温度依赖性；(d) η 的温度依赖性；(e) qΦ_B 的温度依赖性。

图6. (a) 考虑不均匀性效应后，通过 Richardson 绘图法提取的σ²；(b) 提取的 A*；(c) 基于 J–V–T 测量获得的 η 对应的肖特基势垒高度 (SBH) 曲线，比较 SCF 处理前后。

图7. (a) 六个热循环后 SCF 处理前的正向 I–V 特性；(b) 六个热循环后 SCF 处理后的正向 I–V 特性；(c) 器件在处理前后的 ΔV_on；(d) 器件在处理前后的 ΔR_on,sp。

DOI：

doi.org/10.1116/6.0004779