【国内论文】ASS丨合肥工业大学吴春艳教授团队：氟基等离子体处理与湿化学处理协同作用制备具有优异击穿特性的β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管

日期：2026-04-27阅读：37

由合肥工业大学吴春艳教授的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Synergy of fluorine-based plasma treatment and wet chemical treatment for β-Ga₂O₃ Schottky barrier diode (SBD) with superior breakdown characteristics（氟基等离子体处理与湿化学处理协同作用制备具有优异击穿特性的 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，凭借高临界电场与优异的 Baliga 优值，成为下一代功率器件的理想候选材料。在器件制备中，ICP 刻蚀等干法工艺易引入晶格损伤与氧空位缺陷，导致漏电流增大、击穿电压降低，而传统刻蚀后修复策略难以同时实现表面平整化与缺陷高效钝化。氟基等离子体可实现表面掺杂与钝化，但易残留损伤层，与热磷酸、TMAH 等湿法处理的协同调控机制尚不明确，缺乏兼顾低导通电阻与高击穿电压的一体化工艺方案。

主要内容

该团队提出了一种通过氟基电感耦合等离子体（ICP）处理与后退火湿化学处理协同作用提升 β‑Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管（SBD）性能的有效策略。在电极沉积前，采用 SF₆/Ar 混合气体（18/2 sccm）对阳极进行等离子体处理，获得了 root mean square（RMS）粗糙度为 0.179 nm 的光滑表面形貌。氟基等离子体处理在近表面引入浅施主型掺杂并钝化悬挂键，将比导通电阻（Rₒₙ,ₛₚ）从 4.25 降至 2.61 mΩ・cm²，反向击穿电压（BV）从 530 V 提升至 560 V。采用热 H₃PO₄ 进行湿化学后处理可进一步钝化等离子体诱导缺陷，将 BV 提升至 770 V。尽管 H₃PO₄ 处理会导致 Rₒₙ,ₛₚ 略有上升，但功率优值（PFOM）从 62.98 显著提升至 154.4 MW・cm⁻²。该工作为制备具有优异击穿特性的 β‑Ga₂O₃ SBD 提供了可行方案。

创新点

•氟基 ICP 处理与热 H₃PO₄ 湿化学处理协同制备高性能 β-Ga₂O₃ SBD。

•SF₆/Ar 等离子体处理获得 0.179 nm 光滑表面，将 Rₒₙ,ₛₚ 降至 2.61 mΩ・cm²。

•热 H₃PO₄ 处理钝化等离子体损伤，将击穿电压提升至 770 V。

•功率优值（PFOM）从 62.98 显著提升至 154.4 MW・cm⁻²。

•实现 β-Ga₂O₃ 功率器件导通电阻与击穿特性平衡的有效策略。

结论

该团队在 β-Ga₂O₃ SBD 电极沉积前，采用 SF₆/Ar 混合气体对阳极进行等离子体处理。在 SF₆/Ar 流量比为 18/2 时，刻蚀过程表现出适中的刻蚀速率并获得光滑表面形貌，为高质量 SBD 制备提供了有利条件。氟基等离子体处理后，器件 Rₒₙ,ₛₚ 从 4.25 降至 2.61 mΩ・cm²，BV 从 530 V 提升至 560 V，这归因于近表面浅施主型氟掺杂与氟的钝化作用。热 H₃PO₄ 湿化学后处理可进一步钝化等离子体损伤层，将 BV 提升至 770 V。尽管 Rₒₙ,ₛₚ 有所上升，器件 PFOM 仍从 62.98 MW・cm⁻² 提升至 154.4 MW・cm⁻²。氟基等离子体处理与湿化学处理协同作用是制备低刻蚀损伤、高击穿电压 β-Ga₂O₃ SBD 的有效策略。

项目支持

本研究得到国家自然科学基金（NSFC，No. 62074048）、安徽省重点研发计划（No. 2022f04020007）与安徽省自然科学基金（No. 2208085MF177）资助。

图 1. 垂直型 β‑Ga₂O₃ SBD 的（a）截面结构示意图与（b）制备工艺流程。

图 2. （a）β‑Ga₂O₃ 的 ICP 刻蚀速率随 SF₆/Ar 流量比的变化；（b）不同 SF₆/Ar 流量比刻蚀的 β‑Ga₂O₃ 表面 RMS 粗糙度；（c）原始 β‑Ga₂O₃ 表面与（d）流量比 18/2 sccm 的 SF₆/Ar 刻蚀后的 β‑Ga₂O₃ 表面 AFM 图。

图 3. （a）对照组、ICP 刻蚀退火与未退火器件在 500 kHz 下的 C–V 及对应 1/C²–V 特性；（b）器件正向线性坐标 J–V 曲线及对应 Rₒₙ,ₛₚ；（c）半对数坐标 J–V 曲线；（d）反向 J–V 特性。

图 4. ICP 处理后再经（a）热 H₃PO₄ 与（b）TMAH 处理的 β‑Ga₂O₃ AFM 图；（c）H₃PO₄ 与（d）TMAH 处理的 β‑Ga₂O₃ SBD 在 500 kHz 下的 C–V 及 1/C²–V 特性；（e）器件半对数坐标 J–V 曲线及对应 Rₒₙ,ₛₚ；（f）器件反向 J–V 特性。

图 5. β‑Ga₂O₃ 衬底的（a）O 1s 高分辨 XPS 谱与（b）F 1s 高分辨 XPS 谱。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2026.166972