论文分享
【会员论文】西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队在β-Ga₂O₃ MOS界面工程取得进展：结晶态(AlGa)₂O₃帽层提升MOSFET界面质量与器件性能
日期：2026-09-28阅读：13
西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队在学术期刊IEEE Transactions on Electron Devices发表了题为Improved Interface Quality in β-Ga₂O₃ MOSFETs With a Crystalline (AlGa)₂O₃ Cap（结晶态(AlGa)₂O₃帽层改善β-Ga₂O₃ MOSFET界面质量）的研究论文。论文通讯作者为王轶博副教授和韩根全教授。
背景
β-Ga₂O₃具有超宽禁带、高临界击穿电场以及可获得大尺寸体单晶衬底等优势，是面向下一代高压功率电子器件的重要候选材料。其中，MOSFET结构能够实现较低的栅极泄漏，并为增强型器件设计提供重要技术基础。
然而，与Si不同，β-Ga₂O₃缺乏高质量本征氧化层，器件通常需要引入Al₂O₃等外源高κ介质构建MOS栅结构。尽管Al₂O₃具有较大的禁带宽度、较高的介电常数以及较为有利的能带匹配，但非晶Al₂O₃与晶态β-Ga₂O₃直接接触时，初始沉积阶段容易产生不完全成键和结构无序，从而形成界面态、近界面氧化层陷阱以及介质缺陷。
这些缺陷不仅会恶化亚阈值特性和沟道输运，还可能引起阈值电压漂移、栅极泄漏以及长期可靠性问题。因此，如何进一步改善Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面，是实现高性能、高可靠β-Ga₂O₃ MOS功率器件的重要问题。
针对这一问题，该工作提出在非晶Al₂O₃栅介质与β-Ga₂O₃沟道之间引入结晶态(AlGa) 2O3帽层，通过具有更好晶体结构匹配的过渡层降低非晶介质与β-Ga₂O₃直接接触所带来的界面缺陷。
主要内容
1. 利用Al₂O₃预沉积与高温退火形成结晶态(AlGa)₂O₃帽层
研究团队首先在β-Ga₂O₃表面采用ALD沉积约5 nm Al₂O₃，随后在N₂气氛中进行1000 ℃、3分钟的高温退火，再继续沉积约25 nm Al₂O₃作为栅介质。
截面TEM结果显示，在非晶Al₂O₃与β-Ga₂O₃之间可以清晰观察到一层约5 nm厚的晶态过渡层。进一步的HRTEM结果表明，该晶态层与下方β-Ga₂O₃晶格具有明显的类外延排列。晶格条纹分析得到约0.248 nm的晶面间距，其数值位于β-Ga₂O₃和θ-Al₂O₃相关晶面间距之间；同时，Ga和Al的元素分布结果进一步证实了高温退火过程中发生了Ga-Al界面互扩散。
这些结果共同表明，高温退火实现了原始Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面的重新构筑，并形成结晶态(AlGa)₂O₃帽层。
2. MOS电容结果表明界面缺陷与栅泄漏得到有效抑制
为定量评价结晶态帽层的界面钝化作用，研究团队制备了β-Ga₂O₃ MOS电容，并利用高低频C-V方法比较两组样品的界面态特性。结果表明，在约EC−ET=0.29–0.43 eV的能级范围内，引入结晶态(AlGa)₂O₃帽层后提取得到的界面态密度明显降低，说明该结构能够有效减少Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面缺陷。
与此同时，变温J-E测试结果显示，具有结晶态帽层的MOS电容均表现出更低的栅极泄漏电流和更高的击穿电场，说明结晶态界面层不仅改善了界面态，同时提高了整体栅堆叠质量。
3. 结晶态帽层同步改善MOSFET栅控与导通性能
为了验证该界面工程方法在实际晶体管结构中的有效性，研究团队进一步制备了具有相同结晶态(AlGa)₂O₃帽层结构的β-Ga₂O₃ MOSFET。
双向扫描转移特性显示，代表性器件的回滞由对照器件的0.57 V降低至0.43 V；亚阈值摆幅由909 mV/dec.改善至734 mV/dec.。
输出特性方面，器件的比导通电阻Ron,sp由46.2 mΩ·cm²降低至38.8 mΩ·cm²，表明改善的MOS界面有利于提升沟道输运性能。进一步对每组12个器件进行统计后，结晶态帽层器件的回滞和SS分别降低约32%和16%，同时表现出更好的器件一致性。
值得注意的是，该工作中的β-Ga₂O₃ MOSFET仍具有相对较大的绝对SS。这主要与β-Ga₂O₃横向器件的体沟道输运、UID缓冲层残余导电以及外延层/衬底界面寄生导电等因素有关，因此其亚阈值特性并非仅由栅介质/半导体界面决定。论文也指出，未来可通过改善载流子限制和背势垒设计进一步优化器件栅控能力。
4. PFOM提升42.7%，同时改善正栅偏可靠性
在关态击穿测试中，引入结晶态(AlGa)₂O₃帽层后，MOSFET表现出更低的关态漏电以及更高的击穿电压。结合降低的比导通电阻，器件功率品质因数PFOM由95.5 MW/cm²提升至136.3 MW/cm²，提升幅度达到42.7%。
除静态性能外，该工作还进一步研究了器件的正栅偏不稳定性（Positive-Bias Instability，PBI）。随着正栅应力时间增加，两组器件均出现由电子俘获引起的正向阈值电压漂移，但具有结晶态(AlGa)₂O₃帽层的器件在不同应力时间和栅应力电压下均表现出更小的ΔVTH以及更低的ΔVTH-log(tstress)变化斜率。在VG,stress=4 V、应力1000 s条件下，帽层器件的ΔVTH仅为0.82 V。结果说明，结晶态(AlGa)₂O₃帽层能够有效抑制近界面氧化层陷阱引起的电子俘获，从而改善器件的阈值电压稳定性。
创新点
本工作的核心创新可以概括为以下三个方面：
①首先，提出了一种结晶态氧化物界面工程方案。通过薄层Al₂O₃预沉积结合高温PDA，在非晶Al₂O₃和β-Ga₂O₃之间原位形成约5 nm结晶态(AlGa)₂O₃帽层，从传统的“直接优化非晶介质/半导体界面”进一步转变为“利用结晶态过渡层重新构筑界面”。
②其次，实现了从材料结构到MOS电学再到晶体管性能的系统验证。HRTEM观察到帽层与β-Ga₂O₃之间的类外延排列，MOSCAP结果进一步证明界面态和栅泄漏得到抑制，而MOSFET中的回滞、SS、导通电阻以及击穿性能均得到同步改善。
③最后，晶态帽层同时改善了器件性能和栅可靠性。在PFOM提高42.7%的同时，正栅偏应力下的电子俘获和阈值电压漂移得到显著抑制，表明该技术不仅改善初始界面质量，也有利于提高β-Ga₂O₃ MOS器件的工作稳定性。
结论
该工作通过薄层Al₂O₃预沉积—高温退火—Al₂O₃栅介质沉积的工艺路线，在β-Ga₂O₃表面形成结晶态(AlGa)₂O₃帽层。
研究结果表明，该结晶态过渡层能够有效降低界面缺陷和电子俘获，改善栅堆叠质量，并进一步提升MOSFET的亚阈值特性、沟道输运、关态击穿性能以及正栅偏稳定性。
这一结果说明，在非晶高κ栅介质与β-Ga₂O₃之间构筑具有更好结构匹配关系的结晶态氧化物过渡层，是进一步提升β-Ga₂O₃ MOS界面质量和功率器件可靠性的有效技术路径。
项目支持
本研究得到以下项目支持：国家重点研发计划（2024YFF1504400）；国家自然科学基金（62293522、62204255、62234007、62025402、92564302、92564303、92364204、92264202、92464205、U23A20351）；陕西省科技厅重点项目（2024CY2-GJHX-81）；杭州市科技局重点项目（2025SZD1A26）；浙江省自然科学基金（LDT23F0402、LDT23F04024F04）；浙江省领军型创新创业项目（2023R01014）以及杭州市领军人才计划。
图1 结晶态(AlGa)₂O₃帽层β-Ga₂O₃器件的关键制备流程，以及MOSFET和MOSCAP结构示意图。
图2 Al₂O₃/结晶态(AlGa)₂O₃/β-Ga₂O₃栅堆叠的TEM、HRTEM图像及Ga、Al元素分布。
图3 有/无结晶态(AlGa)₂O₃帽层MOSCAP的高低频C-V特性及提取的界面态密度Dit。
图4 有/无结晶态(AlGa)₂O₃帽层MOSCAP在不同温度下的J-E特性。
图5 有/无结晶态(AlGa)₂O₃帽层β-Ga₂O₃ MOSFET的双向扫描转移特性、输出特性以及回滞和SS统计结果。
图6 β-Ga₂O₃ MOSFET关态击穿特性及击穿后器件光学显微照片。
图7 不同正栅偏应力条件下β-Ga₂O₃ MOSFET转移特性和阈值电压漂移ΔVTH的演变。
DOI:
doi.org/10.1109/TED.2026.3716668
