由西安交通大學的研究團隊在學術期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 發布了一篇名為 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 界面機制）的文章。

1. 項目支持

本研究的由國家自然科學基金委員會（項目編號：62204198）、國家自然科學基金委員會聯合基金（項目編號：U23A20367）資助。

2. 背景

β-Ga₂O₃ 作為超寬禁帶半導體，因其高擊穿電壓和快速開關特性，在高功率器件應用中受到廣泛關注。然而，β-Ga₂O₃ 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）器件的性能和可靠性受到半導體與絕緣層之間界面態性質的顯著影響。因此，高質量的介質/β-Ga₂O₃ 界面在形成高性能 MOSFET 中起著至關重要的作用。這些界面缺陷，特別是氧空位，會捕獲載流子，導致嚴重的遲滯現象、閾值電壓漂移、載流子遷移率降低和漏電流增加。傳統的界面鈍化方法（如高溫退火）可能會對材料造成損傷，并且無法完全消除所有缺陷。因此，需要一種低溫、高效的方法來改善 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面質量。

3. 主要內容

β-Ga₂O₃ 作為超寬禁帶半導體，因其高擊穿電壓和快速開關特性而備受關注。然而，Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面處的高界面密度帶來了挑戰，這會顯著影響金屬氧化物半導體場效應晶體管（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 金屬氧化物半導體電容器（MOSCAP）的制備過程，該工藝有效減少了氧空位和界面缺陷，特別避免了高溫對材料造成的損傷。界面附近的陷阱減少了兩倍，界面態減少了五倍。因此，擊穿電場從 6.01 MV cm⁻¹ 提高到 8.47 MV cm⁻¹。通過不同的測量和分析方法，探索并解釋了 SCFP 的機制。深能級瞬態光譜（DLTS）結果表明，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減少 Al₂O₃ 中的氧空位來鈍化陷阱。研究結論指出，所提出的SCFP 顯著改善了介質/半導體界面，這可大幅提升晶體管的性能。

4. 創新點

•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，避免了傳統高溫退火可能造成的材料損傷。

•實驗證明 SCFP 能顯著減少近界面陷阱約 2 倍，并將界面態密度降低約 5 倍。這通過補充氧原子并形成新的 Ga-O 鍵來有效修復氧空位。

•通過 SCFP 處理，器件的擊穿電場從 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。

•通過結合 C-V、DLTS 和 XPS 等多種先進表征和理論模擬方法，系統地揭示了 SCFP 改善 Al₂O₃/β−Ga₂O₃ 界面質量的具體物理和化學機制。

5. 結論

本次研究成功制備了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOSCAPs。首先開發了 SCFP 處理方法以提升 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面質量。界面附近的陷阱密度 N_bt 從 5.6 × 10¹¹ 降至 3.6 × 10¹¹ cm⁻²，而界面態密度 D_it 在電子能級（E_C）下方 0.2 eV 處的值從 1.29 × 10¹² 降至 2.54 × 10¹¹ eV⁻¹ cm⁻²。DLTS 結果表明，SCF 器件的陷阱能級位置更深，缺陷濃度降低，且陷阱發射能級更深，這進一步支持了器件界面質量的提升。此外，經過 SCFP 處理后，擊穿電場從 6.01 提升至 8.47 MV cm⁻¹。此外，XPS 分析表明，SCFP 處理可通過減少 Al₂O₃ 中的氧空位來鈍化陷阱。本研究首次系統研究了 SCFP 作用及其對 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 器件的影響，提供了詳細的方法描述、測試表征及機理分析。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單工藝流程，在制造工藝中的應用前景廣闊。本研究提供了系統性研究方法，為后續相關工作奠定了堅實基礎。

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

圖2. (a) 三個樣品的 C–V 滯后測量。 (b)–(d) SPM、PDA 和 SCF 樣品中 Al₂O₃ 的原子力顯微鏡圖像，分別對應于各樣品。

DOI：

doi.org/10.1109/TED.2025.3544174

本文轉發自《亞洲氧化鎵聯盟》訂閱號