【会员论文】JFS 实验室魏强民研究团队---半导体中的界面态及其对β-Ga₂O₃中肖特基势垒的影响

        该研究得到湖北省重大项目（JD）的支持，批准号为 2023BAA009。

        β-Ga₂O₃ 是功率电子器件、日盲区探测器和传感器的理想候选材料，其超宽带隙可带来更高的功率和更低的导通电阻，通过标准熔融生长技术可以制造出更便宜的衬底，并且制造工艺非常的适宜。目前，已对提高 β-Ga₂O₃ 器件性能的技术进行了广泛研究，包括 p 型材料的异质外延生长、用于热传输的异质键合以及用于提高电子迁移率的异质结构场效应晶体管（FET）的制造。由于具有高击穿电场，基于 β-Ga₂O₃ 的肖特基势垒二极管（SBD）比基于其他材料的器件具有更高的功率因数和更多的实用优势，其他材料需要更复杂的结构才能达到类似的性能。目前，β-Ga₂O₃ SBD 正在从实验室向商业化过渡。

        通过考虑中性水平、功函数、中间绝缘体厚度和掺杂浓度，对 β-Ga₂O₃ 中表面态和界面态的密度与肖特基势垒的关系进行了数值计算。结果表明，存在一个临界中性水平，在此水平下界面态对肖特基势垒的影响最小。与实验观察结果相比，欧姆接触表现出较低的中性水平，导致肖特基势垒升高，而肖特基接触具有较高的中性水平，导致肖特基势垒降低。研究结果表明，如果在界面上分别生成更多的受主型缺陷或施主型缺陷，欧姆接触或肖特基接触都可以得到改善。

        通过数值模拟，在假设界面陷阱具有施主或受主型行为，满足费米统计的前提下，研究了在功函数、中性化能级、中间绝缘层厚度和掺杂浓度等因素作用下界面陷阱密度对 β-Ga₂O₃ 中肖特基势垒的影响。根据中性化能级的不同，界面态可能会增强或削弱肖特基势垒。在 Eg − eΦ0 = eΦm − ex  时，出现了临界中性能级，在此条件下界面陷阱对肖特基势垒的影响最小。由于在欧姆接触中使用了低功函数金属，且几乎所有中性化能级都满足 Eg − eΦ0 ＞ eΦm − ex，因此肖特基势垒总是大于预期值。但在肖特基接触中具有一个较高的中性化能级，并且满足了 Eg− eΦ0 < eΦm − ex 的条件，从而形成了比预期更低的肖特基势垒。关于表面处理，表面生成更多施主型缺陷，导致能带向下弯曲，有利于欧姆接触；相反，表面生成更多受主型缺陷，导致能带向上弯曲，则有利于肖特基接触。这些发现与实验观察和表面处理结果高度一致。此外，未发现悬键与肖特基势垒之间存在关联。而且，通过与实验观察结果对比，发现了两个中性化能级，其中一个已被报道。

图 1. 热平衡下在表面态作用下的能带示意图。(a) 没有金属沉积的表面态引起的能带向上和（b）能带向下弯曲。(c) 从金属功函数、半导体亲和力和中间介电层的角度看界面陷阱密度与肖特基势垒之间的关系。

图 2. 以中性能级、净浓度 N_d-N_a 和氧空位 V_o 为函数的 β-Ga₂O₃ 表面陷阱密度与表面势的数值模拟。

DOI：

doi.org/10.1016/j.surfin.2025.105996