【会员论文】APL丨西安交通大学耿莉教授、西安电子科技大学郝跃院士团队：利用超临界 N₂O 处理揭示 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面氧空位钝化机制

        氧化镓（β-Ga₂O₃）因其约 4.8 eV 的超宽禁带和高击穿场强，在功率半导体器件中极具潜力，但其与原子层沉积（ALD）形成的 Al₂O₃ 栅介质界面常存在高密度的界面缺陷（D_it 达 10¹²~10¹³ cm⁻²eV⁻¹），这会导致阈值电压漂移和栅极泄漏，而传统的退火或等离子体氧化方法易受退火热预算限制或引入额外表面损伤，因此难以在低损损伤前提下有效钝化界面氧空位缺陷。

        β-Ga₂O₃ 表面的氧空位（V_O）与高界面陷阱密度（D_it，10¹²-10¹³ cm⁻² eV⁻¹）相关，这些陷阱密度限制了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 金属氧化物半导体（MOS）器件的阈值电压稳定性。该团队将第一性原理计算与拉曼光谱、光致发光（PL）、X 射线光电子能谱和电学表征相结合，以研究超临界流体处理如何改变这些界面态。通过 Perdew-Burke-Ernzerhof 计算以及对实验 4.8 eV 带隙进行刚性剪刀修正，该团队识别出了与三个不等价 V_O 位点相关的带隙内态。在计算模型中，间隙氧消除了这些态，并将迁移势垒从 0.08 eV 增加到 1.8 eV。实验上，超临界 N₂O（SN）处理使 347、416 和 767 cm⁻¹ 处的拉曼线宽变窄，抑制了 2.4 和 2.8 eV 的缺陷相关光致发光（PL）带，并将晶格氧分数从约 50 % 增加到超过 80 %。近临界 CO₂ 预清洗进一步改善了 SN 响应，这与氧化前表面吸附物的去除一致。由此产生的氮化碳源氮氧化硅（NCSN）工艺将 D_it 降低到 1.5×10¹¹ cm⁻² eV⁻¹，将 N_it 降低了 6.4 倍，并将正偏压应力下的平带电压偏移从 0.79 V 降低到 0.23 V。计算和测量结果共同表明，氧空位填充和氧迁移减少是界面钝化的主要贡献因素。

        ①超临界 N₂O 低温钝化机制：利用超临界流体高扩散率和高密度的特性，在低于 200 ℃ 的低温无等离子体损伤环境下，使活性氧扩散至界面填补氧空位，将晶格氧比例从约 50 % 显著提升至 80 % 以上。

        ②近临界 CO₂ 预清洗增效（NCSN 工艺）：提出了近临界 CO₂ 清洗结合超临界 N₂O 氧化的组合工艺（NCSN）。CO₂ 预清洗可有效去除表面吸附物，为后续的超临界氧化打开通道，使界面性能得到进一步大幅提升。

        ③第一性原理计算与实验高度印证：理论计算表明，填补氧空位后不仅消除了禁带内的缺陷态，还将氧原子的迁移能垒从 0.08 eV 提高到 1.8 eV，极大地稳定了界面氧结构，与拉曼光谱（峰宽收窄）、光致发光光谱（缺陷发光峰被抑制）等物理表征高度吻合。

        ④界面电学性能显著改善：经过 NCSN 处理后，界面态密度 D_it 降至 1.5×10¹¹ cm⁻²eV⁻¹，陷阱电荷密度 N_it 降低至原来的 1/6.4，且正偏压应力（PBS）下的平带电压漂移（ΔV_FB）从 0.79 V 降至 0.23 V，大幅提升了器件的电学稳定性。

        综上所述，超临界 N₂O 处理减少了 Al₂O₃/β-Ga₂O₃ 界面处与氧空位相关无序性相关的光谱和电学特征。计算得出的 V_O 衍生态的去除以及氧迁移能垒从 0.08 eV 增加到 1.8 eV，为测量到的 D_it、N_it 和 PBS 诱导的 ΔV_FB 减少提供了原子层面的解释。近临界 CO₂ 预清洁进一步改善了这些指标，同时没有产生明显的缺陷特征，这表明其作用是促进传输而非直接钝化。综合结果认为，氧的掺入和稳定化可能是界面响应改善的原因之一，而吸附物去除的具体作用则需通过直接表面测量或示踪测量来验证。

        本工作得到了国家自然科学基金联合基金（编号：U23A20367）的支持。

图1.(a)器件制造工艺示意图和(b)超临界流体处理系统。

图2. (a) 单个氧空位在经过剪刀校正的 0-4.8 eV 范围内的形成能随费米能级的变化，以及(b)双空位的相应结果。(c) V_O 电离时的电荷密度差（黄色：积累；蓝色：耗尽）。(d) 原始状态、1.25原子%和2.5原子% V_O 浓度的态密度（PDOS），报告的带隙值（3.31、1.87和1.63 eV）为未校正的PBE值。(e) 氧插入前后的电荷密度差。(f) 界面氧原子的迁移能垒；插图：迁移路径。标签“富氧”、“中氧”和“贫氧”指代上述定义的氧化学势条件。

图3. (a) 经不同流体处理后的 Ga₂O₃ 室温拉曼光谱。(b)-(d)335-425、610-680 和 750-790cm⁻¹ 波段的放大光谱。

图4. (a)-(f) 经不同流体处理后的 β-Ga₂O₃ 的室温光致发光（PL）光谱。(g) 掺硅 β-Ga₂O₃ 中提出的 PL 跃迁的能级示意图。

图5. 对照样品和 NCSN 样品的温度依赖性光致发光（PL）。

图6. 不同处理后 β-Ga₂O₃ 的高分辨率 (a) O 1s 和 (b) Ga 3d X 射线光电子能谱(XPS)图。

图7. (a) 三组器件的 C-V 滞后特性；插图显示了从相应 C-V 数据中提取的净掺杂（N_D-N_A）分布。(b) 高频和低频 C-V 特性；插图显示了提取的 D_it。（c）DLTS 光谱和 Arrhenius 拟合。（d）N_D-N_A 和 D_it 的箱线图。

图8. 不同处理后金属氧化物半导体（MOS）电容器的偏置应力（PBS）响应。（a）在 +5 V 下 2000 秒后的高频电容-电压（C-V）曲线。（b）在 5、10、15 和 20 V 应力下 V_FB 的时间演变。（c）双对数 ΔV_FB-时间图。（d）ΔV_FB 的应力-电压依赖性。