【会员论文】APL丨西电郝跃院士、马晓华教授、李园副教授团队：β-Ga₂O₃ [100]/[010] 沟槽器件反向“V”形温度特性的界面态起源与电–热协同设计启示

        由西安电子科技大学郝跃院士、马晓华教授、李园副教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Orientation-dependent interface-state properties underlying the “V”-shaped difference in temperature-dependent reverse characteristics of [010]- and [100]-oriented trench-MOSSBDs（取向依赖的界面态特性：揭示 [010] 与 [100] 取向沟槽型金属氧化物半导体肖特基势垒二极管（trench-MOSSBD）温度依赖反向特性呈“V”形差异的内在机制）的文章。

        β-Ga₂O₃ 凭借高达 8 MV/cm 的临界电场和低成本衬底，成为下一代功率电子的重要候选材料。其 MOS 型沟槽结构可实现三维电场分布、缓解场聚集并避开导电 p 型掺杂，已将器件击穿电压推至 3 kV 以上并接近理论优值极限。然而，材料显著的晶体各向异性使干法刻蚀引起的侧壁界面态问题在 [100] 取向更为突出，导致现有沟槽器件多采用侧壁热导较低的 [010] 取向，而热导更高的 [100] 取向未被广泛采用。已有工作主要关注 [010] 取向界面态的影响，取向相关界面态对可靠性的具体作用及物理机制仍不清楚；同时，常规 DLTS 在体陷阱与界面态陷阱时间常数重叠时难以准确分辨缺陷来源，进一步制约了取向对比研究。因此，阐明各向异性沟槽中取向依赖界面态的性质并实现电–热与可靠性的协同提升，成为亟待解决的问题。

        在 β-Ga₂O₃ MOS 型沟槽二极管中，各向异性干法刻蚀导致侧壁界面质量下降，这一问题在侧壁热导更高的 [100] 取向中尤为突出。取向相关界面态对可靠性的影响及其物理机制此前尚不清楚。本工作首次阐明了 HfO₂ 介质 [010] 与 [100] 取向 β-Ga₂O₃ 沟槽 MOS 肖特基二极管（trench-MOSSBDs）反向 I–V 特性“V”形温度依赖差异背后的界面态性质。在 25–125 °C 范围内，[100] 取向器件的“V”形来自慢、快界面态俘获/释放随温度的竞争，而 [010] 取向的反向特性主要由快界面态支配。这些结果为各向异性 β-Ga₂O₃ 沟槽结构的界面态工程及高性能沟槽功率器件的电–热协同设计提供了物理依据。

        以往 β-Ga₂O₃ 沟槽器件多采用 [010] 取向，原因是 [100] 干法刻蚀引起的侧壁界面质量更差；但这同时放弃了 [100] 沟槽侧壁热导更高的优势。本工作首次把这种可靠性的取向取舍从“界面态密度更高”的现象描述拓展到可检验的物理图像：25–125 °C 内，[100] 取向 trench-MOSSBD 反向特性的“V”形来自慢、快界面态电荷俘获/释放随温度的竞争；[010] 取向的反向特性则主要由快界面态支配。同时，针对常规 DLTS 在体陷阱与界面态发射时间常数重叠时难以唯一指认缺陷来源的问题，本工作采用脉冲 C–V、紫外辅助 C–V、器件正向热电耦合建模与 DLTS 互补，实现了两种取向界面态的对比表征。由此得到的器件设计含义是：电–热协同不能只依据热导或介电的各向异性。若能通过界面钝化、刻蚀后处理和介质工艺压低 [100] 取向的慢深界面态，就有可能同时利用其侧壁热导优势，并保持可接受的反向可靠性。上述结果为各向异性 β-Ga₂O₃ 沟槽结构的界面态工程提供了物理依据，也为高性能 β-Ga₂O₃ 沟槽功率器件的电–热协同设计提供了取向选择上的指导。

        综上所述，本研究揭示了取向依赖的刻蚀诱导界面态导致[010]取向和[100]取向沟槽金属氧化物半导体肖特基二极管（MOSSBD）温度依赖反向 I–V 特性呈现“V”形差异的物理机制。最终，这一发现可为各向异性 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）沟槽结构中的界面态工程以及 β-Ga₂O₃ 沟槽器件中的有效电热协同设计铺平道路，这将在未来对提高器件性能和可靠性发挥重要作用。

        本工作由国家自然科学基金（项目编号：62204187）资助。