NCT技术总监佐佐木公平团队联合日本产业技术综合研究所：通过表面活化键合技术制备的Ga₂O₃/Si界面电导率

由NCT技术总监佐佐木公平联合日本产业技术综合研究所的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Electrical conductance at Ga₂O₃/Si interfaces fabricated via surface activated bonding（通过表面活化键合技术制备的 Ga₂O₃/Si 界面电导率）的文章。

一、 背景

β-氧化镓（β-Ga₂O₃）是一种性能优越的超宽禁带半导体，在功率电子器件领域潜力巨大。将 β-Ga₂O₃ 与硅（Si）等成熟的半导体材料集成，可以结合两者的优势，并有望解决 β-Ga₂O₃ 固有的低热导率和缺乏 p 型掺杂等问题。晶圆键合技术，特别是表面活化键合，是一种能在低温下直接连接不同材料而不产生大量缺陷的先进异质集成技术。然而，通过 SAB 技术形成的 Ga₂O₃/Si 异质界面的电学特性，尤其是其导电机理，尚未得到充分研究，这对于其在功率器件等领域的应用至关重要。

二、 主要内容

在超高真空条件下，经表面溅射处理后，β-Ga₂O₃ 与 Si 表面形成原子键。这使得 β-Ga₂O₃/Si 异质结得以形成，有望应用于未来与传统系统集成的高功率器件。然而，表面溅射步骤会产生晶体损伤，阻碍材料间的电导率。本研究通过优化溅射条件以最大化电导率，并探究退火对诱导再结晶的影响。当硅溅射 40 秒且 β-Ga₂O₃ 未溅射时，基底间电流达到峰值。此外，500 ℃ 退火处理通过再结晶作用，使 n 型 β-Ga₂O₃ 与 n 型硅衬底间形成欧姆型电流-电压特性。这种导电界面技术将助力异质器件开发，实现难以进行 p 型掺杂的 β-Ga₂O₃ 器件与其他材料的集成。

三、 研究亮点

● 成功应用表面活化键合（SAB）技术制备了高质量的 Ga₂O₃/Si 异质结，为 Ga₂O₃ 与硅基平台的集成提供了一种有效的低温解决方案。

● 发现并系统研究了 n-Ga₂O₃/n-Si 异质结中由界面缺陷主导的陷阱辅助隧穿导电机制，解释了表现出的非整流的欧姆特性。

● 阐明了 SAB 界面态在该异质结中的双重作用：一方面是实现低温键合的关键；另一方面，构成了导电通道，主导了器件的电学行为。

四、 总结

本研究探讨了氩快原子束辐照及键合后退火对 n 型 β-Ga₂O₃ 与 Si 衬底电导率的影响。结果证实，β-Ga₂O₃ 表面的短时溅射会因键合界面损伤导致电导率显著下降。此外，对 Si 表面进行 40 秒溅射可有效去除原生氧化层，同时将晶体损伤降至最低。当仅对 Si 表面进行溅射而 β-Ga₂O₃ 表面未处理时，可实现与 Si 体材料相当的强键合效果。在此键合条件下，经 500 ℃ 以上退火处理可修复晶体损伤，形成欧姆接触。这些发现表明，精确调控表面活化与退火工艺对 β-Ga₂O₃/Si 异质结的导电性能至关重要，将推动基于 β-Ga₂O₃ 的异质器件发展。

图1. 本研究概述：采用SAB工艺制备的n-Ga₂O₃/n-Si界面电学特性表征。

图2. 形成于 β-Ga₂O₃（十字）和 Si（圆圈）表面的 Au/Ti 接触垫的电流-电压（I-V）特性曲线，以确保欧姆接触。

图3. 不同溅射条件下键合 β-Ga₂O₃/Si 试样的 I-V 特性曲线。第一象限中电子从 Si 向 β-Ga₂O₃  移动，第三象限中电子从 β-Ga₂O₃ 向 Si 移动。

图4. β-Ga₂O₃ 表面经 60 秒溅射处理前后 Ga 3d 和 O 1s 的 XPS 光谱。Ga 3d 峰位移及 Ga/O 峰面积比的变化表明表面发生化学改性，趋向于形成富镓表面。

图5. β-Ga₂O₃ 与 Si 表面的原子力显微镜图像：（a）和（b）为溅射前状态；（c）和（d）为 Si 表面溅射 40 秒后的状态。溅射后两表面均呈现原子级平整度。

图6. β-Ga₂O₃/Si 衬底在 (a) 室温键合后及 (b) 800 ℃ 退火后的状态，退火导致出现未键合区域和裂纹。(c) 剪切试验中，断裂发生在 Si 衬底内部而非键合界面处。

图7. 三种不同溅射条件下键合 β-Ga₂O₃/Si 试样的 I-V 特性曲线。溅射 40 秒时电导率表现最佳。

图8. I–V 为不同后键合退火条件下键合 β-Ga₂O₃/Si 试样的特性曲线。超过 500℃ 的退火可实现欧姆型 β-Ga₂O₃/Si 接触。

图9. 经 800 ℃ 退火处理的键合 β-Ga₂O₃/Si 样品的 I-V 特性温度依赖性。ln(G₀/T)与 1/kT 的曲线呈非线性关系，表明热电子发射并非该样品中的主导传输机制。

图10. β-Ga₂O₃/Si 界面在 500 ℃ 退火处理前后的透射电子显微镜图像。退火使硅表面晶格中观察到的畸变得以恢复，从而提高了电导率。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0287803

本文转发自《亚洲氧化镓联盟》订阅号