【国际论文】APL丨美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校：通过 MOCVD 生长的氮掺杂（010）β-Ga₂O₃ 实现绝缘缓冲层

        由来自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Realization of insulating buffer layers via MOCVD-grown, nitrogen-doped (010) β-Ga₂O₃（通过 MOCVD 生长的氮掺杂（010）β-Ga₂O₃ 实现绝缘缓冲层）的文章。

        随着全球能源消耗持续增长，高能效半导体器件的研发愈发关键。宽禁带半导体凭借可承受高电场的特性，能实现器件小型化与高效化，SiC 和 GaN 已在电子市场展现优势。而 β-Ga₂O₃具有 4.6 eV 的超宽禁带、8 MV/cm² 的理论击穿场强及最高 200 cm²/V・s 的电子迁移率，其巴利加优值高于 SiC 与 GaN，且可通过熔体生长制备大尺寸晶锭，是氧化镓功率电子器件的理想材料。

        但 β-Ga₂O₃同质外延界面存在无意硅杂质峰，源于空气中硅氧烷污染，会形成低迁移率寄生电子沟道，导致器件 RC 延迟增大、开关性能下降、夹断电压升高、亚阈值摆幅劣化，还会引发漏电流增加与提前击穿。传统采用 49% 氢氟酸（HF）浸泡去除硅杂质，但该工艺时效性强，暴露空气约 10 分钟后硅杂质峰便会复现，限制了工艺稳定性与量产效率。

        为替代 HF 处理，研究提出引入绝缘缓冲层补偿界面电荷。氮（N）作为深受主，导带下方能级达 2.9 eV，相比镁（Mg）、铁（Fe）等受主，不易发生非故意电离；且 MOCVD 生长中氮掺杂记忆效应、表面偏析与扩散影响弱，可原位制备，避免 HF 工艺缺陷，适用于垂直 / 横向场效应晶体管及选择性掺杂再生长工艺。

        该团队呈现金属有机化学气相沉积生长、氮掺杂的 β-Ga₂O₃薄膜，作为铁掺杂 (010) β-Ga₂O₃衬底上的绝缘缓冲层，以替代 49% 氢氟酸处理，消除衬底 - 外延层生长界面处的无意硅杂质。系统改变氮掺杂层厚度和 NH₃/N₂流量，实验确定完全补偿界面硅峰所需缓冲层的最低氮浓度与厚度。NH₃/N₂流量变化范围为 200 至 1800 sccm。结果表明，NH₃/N₂流量≥1200 sccm、厚度为 50 nm 的样品可获得完全绝缘的氮掺杂层。该研究证明了原位、可控掺杂的氮缓冲层作为缓解衬底 - 外延层生长界面无意界面硅杂质方法的有效性。

        • 首次提出采用 MOCVD 原位生长氮掺杂 (010) β-Ga₂O₃绝缘缓冲层，替代传统 49% HF 浸泡工艺，解决界面硅杂质峰问题，规避 HF 工艺时效性差、易复现杂质的缺陷。

        • 系统优化氮掺杂缓冲层关键参数：确定 NH₃/N₂流量≥1200 sccm、厚度 50 nm 为最优条件，可完全补偿界面硅杂质，获得高绝缘性缓冲层。

        • 验证氮作为深受主的优势：氮在 β-Ga₂O₃中导带下方能级达 2.9 eV，远低于铁、镁等受主，非故意电离概率低；且 MOCVD 生长中氮掺杂记忆效应、表面偏析与扩散影响弱，工艺稳定性强。

        • 证实氮缓冲层可实现界面电荷补偿，同时降低沟道载流子浓度，改善器件漏电特性，适用于垂直与横向功率器件，为 β-Ga₂O₃器件工业化制备提供可行方案。

        开发了一种绝缘氮掺杂缓冲层，用于缓解衬底 - 外延界面处观察到的界面硅峰。最优缓冲层为 50 nm 厚，NH₃/N₂流量为 1200 sccm。无需氢氟酸处理等时效性工艺即可缓解器件中的寄生电荷层，使高效器件得以制备，氮掺杂层作为绝缘层在垂直和横向器件中均具有巨大应用前景。进一步工作需改善沟道电荷，如在氮掺杂缓冲层与沟道层之间添加更厚的非故意掺杂层。本工作证明了氮掺杂层作为有效绝缘层的可行性。

图 1. (a) 含氮掺杂缓冲层的硅掺杂沟道层外延结构；(b) 氮氢混合气流量 200–1800 sccm 样品的电容 - 电压特性；(c) 氮氢混合气流量 200–1800 sccm 样品的净施主浓度；(d) 缓冲层漏电补偿数据随氮氢混合气流量变化关系，其中 Ref 为接触硅掺杂沟道的欧姆电极。

图 2. (a) 金属有机化学气相沉积制备的二次离子质谱测试叠层结构示意图，含 1200、1800、200 sccm 氮氢混合气流量生长的氮掺杂层及 670、780、860℃生长的非故意掺杂层；(b) 二次离子质谱数据，显示硅、氮、碳、氢、铁元素浓度，碳元素浓度全程处于检测极限。

图 3. (a) 不同厚度氮掺杂缓冲层样品的电容 - 电压特性；(b) 不同厚度氮掺杂缓冲层样品的净施主浓度；(c) 10 nm 厚氮掺杂缓冲层样品的净施主浓度不均匀性；(d) 三种厚度样品的缓冲层漏电数据。

图 4. (a) F、G、H 样品原子力显微镜扫描的均方根粗糙度；(b) 50 nm 氮缓冲层 F 样品的原子力显微镜扫描图。

图 5. 不同氮氢混合气流量下 300 nm 氮缓冲层的沟道积分电荷。

DOI :

10.1063/5.0319100