【会员论文】西电郝跃院士、马晓华教授、郑雪峰教授团队：采用HfO₂–ZrO₂超晶格层研究β氧化镓MFIS电容器界面特性与漏电机制

        由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、郑雪峰教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为Research on the interface characteristics and leakage mechanisms of β-Ga₂O₃ MFIS capacitors using an HfO₂–ZrO₂ superlattice layer （采用HfO₂–ZrO₂超晶格层研究 β-Ga₂O₃ MFIS 电容器的界面特性与漏电机制）的文章。

        本研究得到国家自然科学基金（Grant No. 62474133，U2241220）、中国宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室开放基金（Grant No. 2413S111）、广东省基础与应用基础研究基金（Grant No. 2025A1515011176） 以及中央高校基本科研业务费专项资金（Grant No. QTZX23019）。

        β-氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽禁带，在日盲深紫外（DUV）探测领域表现出色，但其带隙较宽，导致它对可见光和红外光几乎没有响应，限制了其在宽带探测领域的应用。硫化银（Ag₂S）是一种窄带隙（~1.0 eV）的半导体材料，具有很高的光吸收系数，能够覆盖从可见光到近红外的广阔光谱范围。将 Ag₂S 量子点（QDs）与 β-Ga₂O₃ 薄膜结合，构筑异质结，有望利用 Ag₂S 的宽光谱吸收能力来弥补 Ga₂O₃ 的光谱盲区，从而实现高性能的宽带光电探测。然而，这种异质结界面的能带结构以及光生载流子的输运和增益机制尚不明确，需要深入研究。

        本文报道了采用三种 HfO₂–ZrO₂ 超晶格（SL）铁电栅极介质制备 β-Ga₂O₃ 金属/铁电体/绝缘体/半导体（MFIS）电容器的研究：SL5、SL10 和 SL15，分别通过 5、10 和 15 次 HfO₂ 与 ZrO₂ 交替的原子层沉积（ALD）循环构建，并以常规 Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）作为对照。经 550 ℃ 快速热退火（RTA）30 秒处理后，所有介质层均通过掠入射X射线衍射（GIXRD）确认呈现正交晶系（111）相。电学测量表明，SL5 结构实现了卓越的漏电流降低效果——在 3V 电压下从 HZO 的 0.936 A cm⁻² 降至 0.004 A cm⁻²，并展现出最高的剩余极化强度（2Pr=29.3 μC cm⁻²），而 HZO 为 27.3 μC cm⁻² （HZO）、22.4 μC cm⁻²（SL10）和 17 μC cm⁻²（SL15）。此外，SL5 电容器展现出卓越的可靠性，在室温下可维持高达 1 × 10¹¹ 次循环的强劲耐久性，在 150 ℃ 下可达 1 × 10¹⁰ 次循环，且无性能退化，同时保持超过 1 × 10⁴ 秒的稳定存储能力。关键的是，界面态分析表明，退火后 SL5 在 0.25–0.45 eV 能量范围内保持最低且最稳定的界面陷阱密度。其陷阱态密度（6.39 × 10¹²–7.11 × 10¹² cm⁻² eV⁻¹）显著低于同能量范围内的 HZO 材料。这些结果凸显了超晶格工程化铁电栅极绝缘层在实现高质量界面、低漏电流和稳定铁电性能方面的优势，为开发面向下一代电力电子设备的高性能增强模式 β-Ga₂O₃ MOSFET 器件提供了充满前景的途径。

        ● 创新性地采用 Ag₂S 量子点对 β-Ga₂O₃ 进行敏化，成功地将其探测范围从深紫外区扩展至整个可见光和近红外区，实现了宽带探测。

        ● 通过系统的能带结构分析和光电特性研究，明确揭示了器件高性能的来源是 Ag₂S/β-Ga₂O₃ 界面处的 II 型能带对齐所诱导的光栅控效应。

        ● 制备的探测器在响应度、探测率、光暗电流比和长期稳定性等关键指标上均表现出非常优异的性能，在宽带探测器领域具有很强的竞争力。

        本研究系统阐明了在 β-Ga₂O₃ MFIS 电容器中采用 HZO SL 铁电栅极介质的优势，其性能优于传统 HZO 介质及周期更长的 SL10 和 SL15 介质。经 550 ℃ 永久磁化处理后，SL5 器件在保持最大剩余极化强度（2Pr = 29.3 μC cm^-2，优于 HZO 的 27.3 μC cm^-2、SL10 的 22.4 μC cm^-2 及 SL15 的 17 μC cm^-2）的同时，显著降低了漏电流（从 HZO 的 0.936 A cm^-2 降至 3V 电压下的 0.004 A cm^-2）。此外，SL5展现出最低且最稳定的界面陷阱密度（D_it 从 6.78 × 10¹² – 8.43 × 10¹² 降至 6.39 × 10¹² – 7.11 × 10¹² cm^-2 eV^-1），同时具备卓越的可靠性：室温下可维持 >1 × 10¹¹ 次开关循环，150 °C 下可达 >1 × 10¹⁰ 次循环，且极化保持稳定性超过 1 × 10⁴ 秒。这些结果表明，超晶格工程——特别是采用 SL5 架构——能够同时实现高极化、抑制泄漏、减少界面陷阱以及卓越的耐久性和保持性，从而为开发可靠、高性能、常闭型 β-Ga₂O₃ 功率电子器件开辟了充满希望的途径。

图1. MFM电容器、MFIS电容器及GIXRD样品的制造工艺流程。

图2. (a) β-Ga₂O₃ MFIS电容器结构示意图。(b) 不同 HfO₂/ZrO₂ 比例下 SL 和 HZO制备示意图。(c) 退火后 HZO、SL5、SL10 和 SL15 薄膜的 HRTEM 截面图像。

图3. (a) 四种电容器（HZO、SL5、SL10 和 SL15）在唤醒循环测试后测得的 P-V 滞回环（循环条件：5 V、100 kHz，1×10⁴ 次循环）。(b) TiN/FE/Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 结构经 550℃ 退火后的 GIXRD 衍射图谱。(c) 四种MFM电容器的保持特性，以及 (d) 耐久性特性。

图4. (a)–(d) 采用 HZO、SL5、SL10 和 SL15 材料的 MFIS 电容器在刚制备状态和退火处理后的 C–V 特性曲线。(e) 和 (f) 对应 MFIS 电容器在室温和 150 ℃ 下的 I–V 特性曲线。

图5. TiN/FE/Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MFIS 电容器的频率依赖性电导曲线：（a）SL15， (b) SL10，(c) SL5，(d) HZO 基底的频率依赖性电导曲线，以及 (e) SL15，(f) SL10，(g) SL5，(h) HZO 基底经 550 ℃ 退火处理后的曲线。

图6. 四种MFIS电容器退火处理前后的界面特性。（a）界面陷阱时间常数（τ_it）随栅极电压的变化。（b）界面陷阱密度（D_it）随导带边缘下方陷阱能量的变化。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0287669