Ga₂O₃：改进栅极电介质

经退火的HfSiOx薄膜具有为β-Ga2O3器件形成高质量电介质的关键属性

β-Ga2O3肖特基势垒二极管和各种形式的FET需要高质量电介质才能充分发挥潜力。

美国一工程师团队称可以满足这一需求。这些研究人员开发出一种形成HfSiOx的工艺，据称该氧化物兼具高介电常数、较大的带偏移、可忽略不计的栅极漏电流、低密度的界面和体陷阱、较大的击穿场强。

至关重要的是，HfSiOx的击穿场强高达8.7 MV/cm，大大超出β-Ga2O3 8 MV/cm的理论击穿场强。确保电介质的击穿场强高于器件的击穿场强，那么器件就可以充分发挥其潜力。

密歇根大学、联合学院和加州大学洛杉矶分校的研究人员合作开发了在β-Ga2O3上生产高质量HfSiOx电介质的工艺。这项合作基于先前的研究工作，包括开发一种在β-Ga2O3上生产AlSiO电介质的MOCVD工艺。这项早期工作生产出了击穿场强约为7.8 MV cm-1的电介质。

改用HfSiOx后，击穿能力增强，其中涉及不同的沉积工艺。在最新的研究工作中，电介质是通过原子层沉积添加的，然后再进行退火步骤，从而确保重要特性得到显著改善。

人们对HfSiOx的兴趣可追溯至多年前，先前研究曾考虑将其用作基于硅和GaN的器件的电介质。先前研究还表明，通过调整成分，HfSiOx的介电常数可在3.9到27之间，HfSiOx和β-Ga2O3之间的导带阶跃可高达2.38 eV。

美国工程师们使用金属氧化物半导体电容器来研究β-Ga2O3上HfSiOx电介质的性能。他们首先在重度n掺杂的β-Ga2O3衬底上生长了一层10 mm厚的β-Ga2O3外延片，然后转而采用原子层沉积法添加一层HfSiOx薄膜，HfO2与SiO2的比例约为1:1。为了实现这一比例，以1 Å/周期的沉积速率沉积两个周期的HfO2，并以1 Å/周期的沉积速率沉积三个周期的SiO2，两者交替进行。

为了评估退火的影响，研究团队制作了三种厚度为20 nm的电容器（见上图）。其中一种电容器没有进行任何形式的热处理，另外两种电容器则在氮气中分别进行了400 °C和900 °C的退火处理。

击穿测量结果表明，针对未经退火的电容器，击穿场强高达约3 MV cm-1时才会进行低漏电流工作。同时，针对在400 °C 和900 °C下退火的电容器，直到击穿场强达到6.2 MV cm-1和4.5 MV cm-1时才会出现漏电流，两者的击穿场强分别高达8.4 MV cm-1和8.7 MV cm-1。

使用波长为254 nm的深紫外灯进行电容—电压测量，以提供足够的空穴生成，从而深入了解电介质中的陷阱水平。

未退火电容器的剖面图显示，在低电场条件下，它们无法到达积聚区。研究团队将这一现象归因于块体HfSiOx及其与β-Ga2O3界面处的电子陷阱密度极高。

电容—电压测量确定了两种退火样品的总陷阱密度。研究团队报告称，在400 °C和900 °C下退火的样品，平均值分别为2.72 x 1012 cm-2 eV-1和1.06 x 1012 cm-2 eV-1，这表明较高的温度可降低陷阱密度。研究团队由此推测，在环境温度为900 ℃时进行退火会减少HfSiOx中的氧空位，从而降低块体及界面陷阱的密度。

工程师们用横截面扫描透射电子显微镜仔细检查了电介质。这项技术揭露了沉积HfSiOx中的部分有序性，在900 °C时进行退火可产生完全非晶的电介质，这正是降低漏电流并提高击穿电压的原因所在。

参考文献

X. Zhai. et al. Appl. Phys. Lett 124 132103 (2024)

来源：雅时化合物半导体

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