【国际论文】美国加利福尼亚大学丨在 β-Ga₂O₃ 上利用 MOCVD原位生长 Al₂O₃ 的介电可靠性和界面陷阱表征

        近期，由美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Dielectric reliability and interface trap characterization in MOCVD grown in situ Al₂O₃ on β-Ga₂O₃ （在 β-Ga₂O₃ 上利用 MOCVD原位生长 Al₂O₃ 的介电可靠性和界面陷阱表征）的文章。该篇文章被评为编辑精选文章。

        Sriram Krishnamoorthy 副教授曾取得了俄亥俄州立大学电气工程博士、印度皮拉尼比尔拉理工学院（BITS）物理学硕士（荣誉学位）、印度皮拉尼比尔拉理工学院（BITS）电气与电子工程学士（荣誉学位）。

        Krishnamoorthy 教授的研究小组在材料、电子工程和物理学的交叉领域开展工作，研究和设计下一代（超）宽禁带半导体，如氧化镓。团队对外延生长、电子传输、设计/建模、微/纳米制造以及用于电力电子、高频电子和紫外光电子等广泛应用的电子/光电器件的表征等领域进行广泛的研究。

        β-Ga₂O₃ 因其超宽带隙（4.8 eV）、高击穿电场（8 MV/cm）和优异的电子性能，在高功率电子器件领域备受关注。然而，为了实现稳定的器件性能，需要高质量的栅极介电层，而传统的介电层沉积方法通常需要额外的工艺步骤，会引入界面污染和缺陷。因此，采用原位（in situ）金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长 Al₂O₃ 成为提升 β-Ga₂O₃ 器件性能的主要策略。

        该团队研究了使用金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在 800 °C 的高温下于 β-Ga₂O₃ 上原位生长 Al₂O₃。Al₂O₃ 与 β-Ga₂O₃ 在同一反应器中生长，使用三甲基铝和 O₂ 作为前驱体，无需破坏真空。通过应力电容-电压 (C-V) 和光辅助 C-V 方法表征了浅层和深层陷阱。高温沉积的介质表现出令人印象深刻的约 10 MV/cm 的灾难性击穿场强。此外，团队使用随时间变化的介质击穿测量评估了介质的可靠性和寿命。通过改进介质沉积工艺，包括高温 (800 °C) 薄界面层和低温 (600 °C) 主体层，报告了在 3.5 MV/cm 的应力场和 7.8 MV/cm 的灾难性击穿场下的 10 年使用寿命。

        介电层生长：

        （1）在 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃（010）衬底上外延生长 500 nm 厚的 β-Ga₂O₃ 层。

        （2）采用 MOCVD 方法，以三乙基镓（TEGa）和 O₂ 为前驱体，生长温度 600°C，腔体压力 60 Torr，Ga₂O₃ 生长速率 6.3 nm/min。

        （3）在 800°C 下生长 Al₂O₃ 介电层，生长速率 4.7 nm/min，总厚度 23.6 nm。

        （4）先在 800°C 下生长 5 nm 界面层，然后温度降低至 600°C，继续沉积主体介电层，总厚度 21.8 nm。

        结构与电学表征：

        测量 Al₂O₃ 层厚度，并验证其均匀性；分析 Al₂O₃ 介电层的晶相；采用 DC 扫描（-10V 至 5V）和 AC 频率 1 MHz 测量 MOS 电容（MOSCAPs）。通过电压滞后（hysteresis）分析界面陷阱密度（Dit）。进一步测定深能级陷阱的密度和能级分布。评估击穿电场，确定 MOSCAPs 的介电可靠性。

        该团队采用 MOCVD 实现 β-Ga₂O₃ 和 Al₂O₃ 介电层的原位生长，避免了空气暴露带来的界面污染，减少了工艺复杂性。

        提出了先高温生长界面层（800°C），再低温生长主体层（600°C）的方案，兼顾了界面质量和介电层均匀性。

        样品 A 在正偏下的击穿电场达 10 MV/cm，显著高于 600°C 介电层（5.6 MV/cm）。

        样品 B 介电层击穿电场为 7.8 MV/cm，同时具有更好的均匀性。

        该团队通过 MOCVD 方法成功在 β-Ga₂O₃（010）上原位生长 Al₂O₃ 介电层，并提出了高温界面层+低温主体层的双温度沉积策略（样品 B）。

        研究表明，样品 A（800°C） 具有更低的界面陷阱密度、更高的击穿电场（10 MV/cm），但可能存在局部晶界泄漏问题。样品 B（800/600°C） 在界面质量、均匀性和可靠性方面表现更佳，预计在 3.5 MV/cm 应力场下寿命可达 10 年，是 β-Ga₂O₃ 高功率 MOSFET 栅极介电层的更优选择。

        研究证明了MOCVD 原位生长 Al₂O₃ 在提升 β-Ga₂O₃ 器件性能方面的巨大潜力，为未来高功率电子器件的发展提供了新的工艺方案。

图 1. (a) 样品 A（800°C）和 (b) 样品 B（800/600°C）的 MOSCAP 结构示意图；(c) 样品 A 和样品 B 的 X 射线反射率图和 (d) GIXRD 光谱。

图 2. (a) 样品 A 和 (b) 样品 B 的电容-电压特性曲线的第一次和第二次扫描。在每种情况下，在第一次 D-A 扫描期间，MOSCAP 都经受了 10 分钟的累积应力。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0234267