【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队开发β-Ga₂O₃ MOSFET氨气等离子体钝化工艺，界面态密度降至2×10¹⁰并实现性能提升

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授等人的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 NH₃ Plasma Surface Treatment in β-Ga₂O₃: Interface Trap Density Reduction and MOSFET Performance Gains（β-Ga₂O₃ 中的 NH₃ 等离子体表面处理：降低界面陷阱密度与提升 MOSFET 性能）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为新一代超宽禁带半导体材料，具备优异的材料特性与低成本衬底制备潜力，是下一代功率器件的核心候选材料。近十年来，β-Ga₂O₃ MOSFET 器件研发取得显著进展，但介电层/半导体界面缺陷始终是制约器件性能与可靠性的关键瓶颈，会引发阈值电压漂移、回滞过大、亚阈值摆幅劣化等问题。Al₂O₃ 因导带偏移大、介电常数适中、与原子层沉积工艺兼容，成为 β-Ga₂O₃ MOSFET 主流栅介质，传统湿法清洗、沉积后退火等界面处理手段仅能将界面态密度降至 10¹² eV⁻¹・cm⁻² 量级，无法满足高性能器件需求。氨气等离子体处理（NPT）在硅、砷化镓、氮化镓体系中已验证界面钝化效果，且团队前期将其应用于 β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管并实现界面态降低，但该工艺在 β-Ga₂O₃ MOSFET 界面工程中的系统性研究仍属空白。

        在这项工作中，引入氨气等离子体处理（NPT）对 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面进行改性，以制备高性能 MOS 器件。NPT 有效抑制了镓亚氧化物相关的表面态，显著降低了界面态密度（D_it）。对 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 电容器（MOSCAPs）的高低频电容分析表明，其浅能级界面态密度达到创纪录的 2×10¹⁰ cm⁻²・eV⁻¹。X 射线光电子能谱（XPS）证实，NPT 后 Ga⁺ 亚氧化物组分减少 31%，表明表面化学计量比得到改善。改善的界面质量直接转化为晶体管性能的提升。采用 NPT 的 β-Ga₂O₃ 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）表现出更小的亚阈值摆幅（SS）、抑制的回滞、有效迁移率提升约 10%、更低的导通电阻（R_ON）以及更高的击穿电压（V_br）。这些性能提升归因于介电层/半导体界面处库仑散射的减少和电荷俘获的抑制。所展示的 NPT 工艺完全兼容 CMOS 且易于集成，为实现高性能、高可靠性的 β-Ga₂O₃ 功率晶体管提供了一种实用且可规模化的界面工程策略。

        ①首次将氨气等离子体处理（NPT）系统性应用于 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面工程，实现界面态密度创纪录降低至 2×10¹⁰ cm⁻²・eV⁻¹；

        ②通过 XPS 证实 NPT 可使 β-Ga₂O₃ 表面 Ga⁺ 亚氧化物组分减少 31%，从化学层面揭示界面钝化机制；

        ③NPT 工艺同步提升 β-Ga₂O₃ MOSFET 多项核心性能：亚阈值摆幅降低 12.6%、回滞减小 46.5%、有效迁移率提升约 10%、导通电阻降低、击穿电压提高；

        ④该工艺完全兼容 CMOS，无真空中断、离子轰击损伤可忽略，具备工业化可扩展性。

        总之，在 Al₂O₃ 沉积之前，将 NPT 系统性地应用于 β-Ga₂O₃ 表面改性，有效缓解了镓亚氧化物相关缺陷，显著提升了介电层/半导体界面质量。Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS 电容器表现出 2×10¹⁰ cm⁻²・eV⁻¹ 的超低浅能级界面态密度，为该材料体系的最低值。集成 NPT 的 β-Ga₂O₃ MOSFET 展现出更小的亚阈值摆幅、抑制的回滞、更低的导通电阻和更高的击穿电压，共同表明栅控能力增强、库仑散射减少以及介电层鲁棒性提升。因此，作为一种兼容 CMOS 且易于集成的表面工程策略，NPT 为实现高性能、高可靠性的 β-Ga₂O₃ 功率晶体管提供了有效且可规模化的途径。

        本工作部分得到国家重点研发计划（No. 2024YFF1504400）、国家自然科学基金（No. 62293522、62204255、62234007、62025402、92564302、92564303、92364204、92264202、92464205、U23A20351）、陕西省科技厅重点项目（No. 2024CY2-GJHX-81）、杭州市科技局重点项目（No. 2025SZD1A26）、浙江省自然科学基金（No. LDT23F0402、LDT23F04024F04）、浙江省领军型创新创业项目（No. 2023R01014）以及杭州市领军人才计划的资助。

图 1. (a) 采用 Ga₂O₃ 表面 NPT 工艺制备 β-Ga₂O₃ MOS 电容器和 MOSFET 的关键工艺步骤。(b) 和 (c) 所制备 MOS 电容器和 MOSFET 的结构示意图。(d) 和 (e) 有无表面 NPT 的 β-Ga₂O₃ 样品的 Ga 3d 核心能级 XPS 谱图。

图 2. (a) 有无 NPT 的 β-Ga₂O₃ MOS 电容器的首次和最终稳定正向扫描 C-V 曲线。(b) 耗尽态下含各类界面电荷的电容器能带图。(c) 1 MHz 下测量的有无 NPT 器件的 C-V 回滞曲线。

图 3. (a) 有无 NPT 的 β-Ga₂O₃ MOS 电容器的高低频 C-V 曲线。(b) 提取的界面态密度随 E_C−E_T 的变化曲线，以及采用不同栅介质的 β-Ga₂O₃ MOS 电容器已报道最低界面态密度的对比。

图 4. (a) 有无 NPT 的 β-Ga₂O₃ MOSFET 的转移特性和 (b) 输出特性。(c) 亚阈值摆幅和 (d) 回滞的统计分布（每种条件测试 10 个晶体管）。

图 5. (a) 1 MHz 下测量的有无 NPT 的 β-Ga₂O₃ MOSFET 的栅电容-栅压特性及对应沟道电荷-栅压特性。插图为 V_D=0.5 V 下测量的转移曲线。(b) 两种器件提取的有效迁移率随沟道电荷的变化曲线。插图为用于确定薄层电阻的电阻-间距曲线。

图 6. (a) 有无 NPT 的 MOS 电容器的正向漏电流统计特性。插图为正向漏电流特性的陷阱辅助隧穿拟合，其中 E_ox 为介电层内电场。(b) 有无 NPT 的 MOSFET 的关态击穿统计特性。

DOI： 

10.1109/TED.2026.3692412