日本大阪大学：SiO₂/β-Ga₂O₃(001) MOS结构中电子陷阱与固定电荷的氢钝化作用

由日本大阪大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Hydrogen passivation of electron traps and fixed charges in SiO₂/β-Ga₂O₃(001) MOS structures（SiO₂/β-Ga₂O₃(001) MOS结构中电子陷阱与固定电荷的氢钝化作用）的文章。

一、 背景

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）具有宽带隙（4.9 eV）和高击穿电场（8 MV/cm），使其成为下一代功率半导体材料的理想候选者。β-Ga₂O₃ 体晶的生长工艺（如导模法和提拉法）无需高压环境，相较于其他宽带隙半导体可显著降低制造成本。通过氢化物气相外延技术可生长单晶 β-Ga₂O₃ 外延层，其施主浓度可在 10¹⁵–10¹⁹ cm⁻³ 的宽范围内调控。尽管具备这些优势，Ga₂O₃ 仍存在导热性低及实现 p 型导电的挑战。前者问题可通过将 Ga₂O₃ 置于碳化硅等高导热材料之上进行补偿。至于后者，解决方案是在器件结构中采用半绝缘区替代 p 区。迄今已报道了多种功率器件，包括垂直肖特基势垒二极管、耗尽型金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以及超结等效 MOSFET，这凸显了业界对 Ga₂O₃ 日益增长的关注。

在本研究中，研究团队探讨了金属化后形成气体退火（FG-PMA）对SiO₂/β-Ga₂O₃ MOS 结构界面及介电特性的影响。在 Si MOS 结构中，已知 FG 退火会引入氢原子，这些氢原子能有效终止 SiO₂/Si 界面处的硅悬键（Pb 中心）。氢原子同样能有效钝化 SiO₂/SiC 界面处的碳悬键（PbC 中心）。尽管 Ga₂O₃ 作为离子键半导体与上述共价半导体性质不同，但 FG-PMA 工艺在半导体技术中的广泛应用仍使其研究具有重要意义。

二、 主要内容

研究团队对金属化后形成气体退火（FG-PMA）对 SiO₂/β-氧化镓[β-Ga₂O₃ (001)] MOS 结构的影响进行了研究。发现相对较低的 FG-PMA 温度（200–400℃）能有效减少界面及近界面缺陷，从而提升器件性能与可靠性。通过在 O₂ 和 N₂ 气氛中进行沉积后退火处理后实施 FG-PMA，Ga₂O₃ 导带边缘附近的界面态密度降至 (4–7)×10¹⁰ eV⁻¹ cm⁻² 的极低水平。电学性能的显著提升归因于氢原子对电学缺陷的钝化作用。

三、 结论

对 FG-PMA 在 SiO₂/β-Ga₂O₃ (001) MOS 结构中效应的研究证实：在相对较低的温度（200–400℃）下，FG-PMA 可有效减少界面缺陷、固定电荷及近界面氧化物陷阱。通过在 O₂ 和 N₂ 联合退火后实施 FG-PMA 处理，Ga₂O₃ 导带边缘附近的界面态密度降至 (4–7)×10¹⁰ eV⁻¹ cm⁻² 的极低水平。这些电学性能的提升归因于氢原子对缺陷的钝化作用。

图1. Ga₂O₃ MOS结构的制造流程。

图2. (a) 在 1 MHz 频率下测得的 Ga₂O₃ MOS 结构双向 C-V 特性曲线。测量过程中电压扫描速率约为 1 V s⁻¹。(b) 不同 PDA 气氛处理下 Ga₂O₃ MOS 结构的漏电流密度-氧化层电场特性曲线。

图3. (a) 在 1 MHz 频率下测得的 Ga₂O₃ MOS 结构双向 C-V 特性曲线。测量期间电压扫描速率约为 1 V s⁻¹。图中同时标注了理想 C-V 特性曲线。(b) 基于双向 C-V 特性曲线评估的 FG-PMA 处理样品 C-V 滞后现象。(c) 经 FG-PMA 处理样品中观测到的平带电压偏移。平带电压偏移值通过正向 C-V 特性与理想特性曲线间的差值计算得出。

图4. (a) 采用 high (1 MHz)-low 法评估的 Ga₂O₃ MOS 结构中 D_it 分布。(b) E_C−E=0.2 eV 时 D_it 随 FG-PMA 温度变化的关系曲线。

图5. Ga₂O₃ MOS 结构的漏电流密度-氧化层场特性曲线。

图6. (a) 应力测试测量期间的 1/C²–V 特性曲线（应力时间：0、100、1000和2000秒）及(b) Ga₂O₃ MOS结构中平带电压漂移的应力时间依赖性。测量期间的电压扫描速率约为1 V·s⁻¹。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0287823

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