【会员论文】西电郝跃院士、韩根全教授联合中国科学院半导体研究所团队：1000℃退火打开异质外延β-Ga₂O₃ MOSFET性能提升窗口

        由西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授联合中国科学院半导体研究所的研究团队在学术期刊 IEEE Transactions on Electron Devices 发布了一篇名为 Annealing-Driven Strain-Relaxation Transition and Its Direct Impact on Transport in Heteroepitaxial β-Ga₂O₃ MOSFETs（退火驱动的应变-松弛转变及其对异质外延 β-Ga₂O₃ MOSFET 中载流子输运的直接影响）的文章。

        氧化镓 β-Ga₂O₃ 是超宽禁带半导体材料，具备极高击穿场强，是下一代大功率电力电子器件的核心候选材料。现阶段同质外延 β-Ga₂O₃ 基二极管、MOSFET 器件电学性能优异，但自产氧化镓单晶衬底制备成本极高、大尺寸晶圆量产难度大，难以满足工业规模化应用需求。

        蓝宝石衬底成本低廉、可制备大尺寸晶圆，自身禁带宽度约 8.8 eV，热导率约 40 W・m⁻¹・K⁻¹，与 β-Ga₂O₃ 热适配性良好，是异质外延 β-Ga₂O₃ 最具产业化价值的衬底材料。但 β-Ga₂O₃ 与蓝宝石晶格常数、热膨胀系数存在严重失配，异质外延薄膜生长后会产生大量旋转畴、位错、氧空位 Vₒ、镓空位 V_Ga 等缺陷，缺陷会大幅散射载流子，恶化器件导通电流、开关比、击穿电压与高温稳定性，成为蓝宝石基 β-Ga₂O₃ 功率器件的核心性能瓶颈。

        高温后退火是调控异质外延薄膜微观结构、缺陷浓度与界面应力的关键工艺。现有研究仅探究生长温度对薄膜畴结构的影响，或是单独分析退火后 Al 扩散、缺陷演变，尚未系统建立退火诱导的界面应力弛豫转变机制，同时缺少 “微观晶格-缺陷演化-器件输运特性” 的直接关联：高温退火存在两种竞争效应，一是应力均匀化、缺陷修复的增益作用，二是衬底 Al 元素互扩散诱发局部应力聚集、新增散射缺陷的劣化作用。退火温度如何在两种效应间形成临界转变窗口、不同退火温度下界面位错、剪切应力、空位缺陷的演变规律，以及该微观变化对 MOSFET 电学、高温可靠性的定量影响，均缺乏完整、系统的研究，无法为低成本蓝宝石基高性能 β-Ga₂O₃ 器件提供标准化热工艺区间指导。

        该团队研究了退火诱导的应力弛豫效应，及其对异质外延 β-Ga₂O₃/蓝宝石金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）载流子输运特性的决定性影响。借助高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、快速傅里叶变换（FFT）与几何相位分析（GPA）表征手段发现：800 ℃–900 ℃ 区间，衬底夹持效应会产生旋转畴与位错，限制载流子输运性能；当退火温度达到 1000 ℃ 这一临界转变温度时，薄膜应力场趋于均匀化，衬底夹持作用被抑制，镓空位缺陷浓度同步降低。与之相反，1100 ℃ 退火会引发铝元素互扩散，重新形成局部应力聚集，劣化晶格质量。因此，采用 1000 ℃ 退火薄膜制备的 MOSFET 饱和电流提升 14 倍，开关比 I_ON/I_OFF 提升 100 倍，击穿电压可达 1050 V。该优化器件在 200 ℃ 高温下仍具备优异工作稳定性，热稳定性能与同质外延器件相当。本研究明确区分了 “缺陷修复区间” 与 “损伤产生区间”，为高性能 β-Ga₂O₃ 功率电子器件提供关键的热工艺窗口参考依据。

        ①多尺度表征手段联用（HRTEM、FFT、GPA 应变映射、XRD、XPS、PL、EDS），首次完整揭示蓝宝石基异质外延 β-Ga₂O₃ 薄膜退火诱导的界面应力弛豫转变全过程，厘清 800~1100 ℃ 区间三段式微观结构演化规律：800–900 ℃ 衬底夹持效应产生旋转畴与高密度位错；1000 ℃ 为临界转变温度，应力均匀化、镓空位大幅减少；1100 ℃ 衬底 Al 扩散引发局部应力复现，晶格质量衰退。

        ②建立 “退火温度-晶格应变/缺陷演化-MOSFET 载流子输运性能” 直接定量关联，明确 1000 ℃ 是兼顾缺陷修复与界面稳定的最优退火热预算窗口；定量给出最优退火器件性能提升幅度：饱和电流提升 14 倍、开关比提升 100 倍、击穿电压达 1050 V。

        ③阐明退火竞争机制：低温退火仅存在缺陷散射劣化效应，1000 ℃ 实现缺陷修复、应力均匀化增益，超 1100 ℃ 发生 Al 互扩散损伤效应；通过 XPS、PL 证实 1000 ℃ 退火氧空位浓度最低、晶格氧占比最高、杂质 Si 激活效率最优。

        ④验证最优退火器件具备优异 200 ℃ 高温工作稳定性，比导通电阻稳定维持 0.3 Ω・cm²，高温可靠性与同质外延 β-Ga₂O₃ 器件持平，为低成本蓝宝石基大功率氧化镓器件工业化热工艺提供明确指导规范。

        本研究建立了退火诱导的应力弛豫转变与异质外延 β-Ga₂O₃/蓝宝石 MOSFET 载流子输运特性之间的直接关联。多尺度表征结果揭示异质界面处显著的微观结构演变规律：在 800 ℃–900 ℃ 退火区间，强烈的衬底夹持效应会生成高密度位错与旋转取向畴，进而限制器件的载流子输运能力；当退火温度为最优 1000 ℃ 时，薄膜转变至应力均匀化状态，可有效促进杂质激活、抑制带电空位散射，实现更优异的栅控能力、大幅减弱电容-电压频散效应并提升器件导通电流驱动能力。与之相反，1100 ℃ 退火会诱发扩散主导的应力弛豫过程，蓝宝石衬底中的铝元素发生互扩散，再次造成组分不均匀分布与局部剪切应力聚集，劣化沟道输运性能。经 1000 ℃ 退火优化的 MOSFET 击穿电压可达 1050 V，开关比 I_ON/I_OFF 相比 800 ℃ 退火器件提升两个数量级。此外，该器件在 200 ℃ 高温下仍保持稳定的转移特性，正向偏置热稳定性与现有顶尖同质外延器件持平。上述研究结果表明：精准调控薄膜应力弛豫演化路径，平衡缺陷修复与界面稳定性，是制备高性能异质外延 β-Ga₂O₃ 功率器件的核心关键。

        本研究部分受陕西省科技厅重点攻关项目（编号 2024CY2-GJHX-81）、国家自然科学基金（编号 62293522）资助。

图 1 (a) 制备的凹槽栅 β-Ga₂O₃/蓝宝石 MOSFET 截面示意图；(b) 器件制备工艺流程汇总

图 2 (a) c 面 (0001) 蓝宝石衬底上生长的 β-Ga₂O₃ 薄膜 X 射线衍射图谱，包含原生样品与不同退火温度下出现峰偏移的样品；插图：利用谢乐公式由 XRD 图谱计算得到的平均晶粒尺寸

图 3 蓝宝石衬底上异质外延 Ga₂O₃ 薄膜的截面透射电镜图，退火温度分别为 (a) 800 ℃ 、(b) 900 ℃ 、(c) 1000 ℃ 、(d) 1100 ℃ ；(a) 中虚线代表存在旋转取向差的重叠畴，(c) 中橙色箭头表示位错滑移；每张 TEM 图下方分别给出 (i) 界面区、(ii) 薄膜中部、(iii) 近表面区的快速傅里叶变换图谱，每行左侧标注对应退火温度；(d-i) 插图为蓝宝石衬底 FFT 图谱；(e)(f) 对应的能谱深度分布曲线，蓝宝石层区间 0–50 nm，Ga₂O₃ 薄膜区间 50–250 nm，异质界面位于约 50 nm 处

图 4 800 ℃、900 ℃、1000 ℃、1100 ℃ 退火后 β-Ga₂O₃/蓝宝石界面区截面高分辨透射电镜图及对应的几何相位分析应变云图（E_XX、E_YY、E_XY）；白色虚线划分晶体畴与晶界

图 5 (a) 氧 1s 轨道 X 射线光电子能谱；(b) 不同后退火工艺下蓝宝石基未刻蚀与刻蚀 β-Ga₂O₃ 外延薄膜光致发光谱；(c) 展示 β-Ga₂O₃ 薄膜紫外发光、蓝光发光、绿光发光跃迁路径的能带示意图

图 6 800 ℃ 与 1000 ℃ 后退火 β-Ga₂O₃/蓝宝石 MOSFET 电学特性；(a) 半对数转移曲线，体现开关比提升效果；(b) 输出特性 I_D-V_D 曲线（800 ℃ 器件栅压 V_G 范围−15~20 V，1000 ℃ 器件栅压 V_G 范围 −35~20 V）

图 7 (a) 电容-电压回滞曲线；(b) SiN_x/β-Ga₂O₃  MOS 电容的 C-V 频散特性；(c)(d) 由频散曲线二阶微分 d²(1/C²)/dV² 提取的平带电压漂移量；(e) 由 [dC/dV]^1/3 计算得到的栅氧化层电容 C_ox；(f) 800 ℃ 与 1000 ℃ 退火薄膜制备 MOSFET 的三端击穿特性

图 8 25 ℃ 至 200 ℃ （步长 25 ℃）温度依赖转移特性 I_D-V_G，(a) 800 ℃ 退火器件、(b) 1000 ℃ 退火器件，同时给出对数坐标与线性坐标曲线；(c) 800 ℃ 退火、(d) 1000 ℃ 退火器件在 25 ℃、100 ℃、200 ℃ 下的输出特性 I_D-V_D，各温度标注对应比导通电阻 R_ON 数值

DOI : 

10.1109/TED.2026.3701688