【国际论文】APL丨东京大学：利用衬底表面 O₃ 处理工艺在低温（600 °C）下形成界面态密度低的 Al₂O₃/β Ga₂O₃界面

        由东京大学的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Low temperature (600 °C) formation of Al₂O₃/β-Ga₂O₃ interface with low interface state density employing substrate surface O₃ treatment processes（利用衬底表面 O₃ 处理工艺在低温（600 °C）下形成界面态密度低的 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是下一代功率器件材料，具有宽禁带（4.4–4.7 eV）和高击穿电场，可通过 EFG 法生长体晶体，适合大直径晶圆低成本生产。高性能 β-Ga₂O₃ 基 MOSFET 制备仍存在挑战，核心难点是制备低界面态密度的 MOS 栅叠层。传统工艺需 1000 °C 高温氧化退火才能降低界面态密度，但高温会使 β-Ga₂O₃ 载流子浓度下降、电阻显著升高，导致材料电学特性劣化。低温下实现表面选择性氧化、同时避免体材料氧化，是当前未解决的技术空白。

        该团队系统研究了 β-Ga₂O₃ 衬底 O₃ 表面处理用于制备以原子层沉积 Al₂O₃ 为介质的金属–氧化物–半导体电容器的优势，以开发 600 °C 低温制备工艺，避免高温导致 β-Ga₂O₃ 衬底电学性能劣化。在 600 °C 沉积后退火条件下，通过在 Al₂O₃ 沉积前进行 300 °C O₃ 表面处理，和 / 或在原子层沉积中使用 O₃ 作为氧化剂，获得了具有低界面态密度的 MOS 界面特性。该团队进一步研究了 600 °C 沉积后退火氛围气体组分对上述 O₃ 处理制备的叠层结构的影响，将导带边下方 0.2 eV 能量处的界面态密度降至～2 × 10¹⁰ eV⁻¹ cm⁻²。

        •采用 300 °C O₃ 衬底表面预处理与 ALD 过程 O₃ 氧化剂，在 600 °C 低温下实现低界面态密度 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面。

        •优化 600 °C 沉积后退火氛围气体组分，界面态密度可达～2 × 10¹⁰ eV⁻¹ cm⁻²，与 1000 °C 高温退火水平相当。

        •低温工艺避免 β-Ga₂O₃ 体氧化，防止材料电学性能劣化。

        •低氧分压沉积后退火可同步降低界面态密度与氧化物陷阱电荷密度。

        该团队采用 600 °C 低温沉积后退火，研究了抑制 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ (001) MOS 界面缺陷的低热预算工艺。通过进行 O₃ 表面预处理，并使用 O₃ 替代 H₂O 作为 Al₂O₃ 原子层沉积生长的氧化剂，在 β-Ga₂O₃ 导带边下方 0.2 eV 能量处实现了低至～2 × 10¹⁰ eV⁻¹ cm⁻² 的界面态密度。研究表明，采用 O₃ Al₂O₃ 时，低氧分压沉积后退火比纯 O₂ 氛围退火更有利于同时降低界面态密度与氧化物陷阱电荷密度。因此，O₃ 表面处理结合低氧分压沉积后退火，可在 600 °C 低温退火条件下制备低缺陷密度的 β-Ga₂O₃ MOS 界面。

图 1. 经 SPM 和 HF 清洗后，(a) 经过和 (b) 未经过 O₃ 表面处理的 β‑Ga₂O₃ 表面 AFM 图像。

图 2. 样品 (a) 化学清洗前、(b) 化学清洗后以及 (c) 后续 O₃ 表面处理后的 XPS Ga 3d 光谱。(d) 各样品 Ga 亚氧化物组分与总 Ga 3d 光谱的面积比对比。

图 3. 样品 (a)–(e) 的双向 C–V 特性。(a) 无 O₃ 表面预处理的 H₂O–Al₂O₃；(b) 有 O₃ 表面预处理的 H₂O–Al₂O₃；(c) 有 O₃ 表面预处理的 O₃–Al₂O₃。样品 (a)–(c) 在 O₂ 氛围中 600 °C 下进行沉积后退火。(d) 有 O₃ 表面预处理的 O₃–Al₂O₃，随后在 O₂ 氛围中 600 °C 下进行沉积后退火；(e) 相同叠层结构随后在 0.1% O₂ + N₂ 氛围中 600 °C 下进行沉积后退火。

图 4. (a) 样品 (A)–(C) 和 (b) 样品 (D)–(F) 的界面态密度能量分布。各样品详细制备条件列于表 I。(a) 中的插图展示了样品 (B) 和 (C) 的 O₃ 表面预处理示意图。(b) 中的虚线代表在 O₂ 氛围中 1000 °C 下退火 5 min 的样品的界面态密度，作为参考。

图 5. 样品 (B)–(G) 的界面态密度与 Al₂O₃ 层近界面区域氧化物陷阱电荷密度之间的关系。参考样品为在 O₂ 氛围中 1000 °C 下退火 5 min 的样品。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0324499