APL丨西电郝跃院士、韩根全教授团队在β-Ga₂O₃肖特基界面工程取得新进展

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（来源：第三代半导体产业）

近日，西安电子科技大学郝跃院士、韩根全教授团队在学术期刊Applied Physics Letters发表了题为“Low turn-on voltage and improved interface properties of β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes with NH₃ plasma treatment”（NH₃等离子体处理实现β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管低开启电压与界面性能提升）的研究论文。论文通讯作者为王轶博副教授和韩根全教授。

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背景

β-Ga₂O₃具有超宽禁带、高临界击穿电场以及可采用熔体法获得大尺寸单晶衬底等优势，是面向高压、高功率电子器件的重要候选材料。其中，肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode，SBD）结构简单、开关速度快，是目前β-Ga₂O₃功率整流器件的重要研究方向。

近年来，针对β-Ga₂O₃ SBD击穿性能的研究主要集中在场板、边缘终端等电场调控技术，而金属/β-Ga₂O₃界面本身同样会显著影响器件性能。界面附近的氧空位、亚氧化物、吸附组分以及杂质缺陷可能改变肖特基势垒和局域电场，并参与反向载流子输运，从而影响开启电压、漏电流及击穿特性。

已有氧退火、表面刻蚀和后退火等方法可以在一定程度上改善β-Ga₂O₃肖特基界面，但部分处理方法可能伴随比导通电阻增加，或对工艺窗口和后续制程较为敏感。因此，如何在改善界面质量的同时兼顾低开启电压和低导通损耗，是β-Ga₂O₃ SBD界面工程需要解决的重要问题。

针对这一问题，该工作采用远程NH₃等离子体处理β-Ga₂O₃表面，通过调控肖特基界面的化学状态降低开启电压，并进一步结合电导、XPS以及正反向电学测试，系统研究NH₃等离子体对界面缺陷和载流子输运机制的影响。

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主要内容

1. NH₃等离子体处理降低开启电压并改善正向导通性能

研究团队采用PEALD对β-Ga₂O₃表面进行远程NH₃等离子体处理，并制备Ni/Au肖特基势垒二极管。处理前后外延层载流子浓度基本保持不变，表明等离子体处理主要作用于近表面区域。

正向测试结果显示，处理后肖特基势垒高度由1.32 eV降低至1.09 eV，开启电压由0.96 V降低至0.73 V，比导通电阻由6.8 mΩ·cm²降低至6.0 mΩ·cm²；在3 V下，电流密度由267 A/cm²提高至341 A/cm²。

2. 界面缺陷响应降低，界面化学状态得到调控

频率相关电导测试表明，NH₃等离子体处理后器件的表观界面态密度Dᵢₜ平均降低约33%。

XPS结果显示，处理后β-Ga₂O₃表面形成了Ga–N键，同时Ga亚氧化物和吸附氧含量降低，表明NH₃等离子体能够有效调控肖特基界面的化学状态和缺陷特性。

3. 反向漏电降低，击穿电压提升18%

NH₃等离子体处理后，器件反向漏电流降低两个数量级以上，主要反向输运机制由对照器件的陷阱辅助隧穿（TAT）转变为热电子场发射（TFE）。

与此同时，器件击穿电压由822 V提高至974 V，提升约18%。在无边缘终端垂直β-Ga₂O₃ SBD中，该器件兼具0.73 V低开启电压和接近千伏的击穿能力。

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创新点

①首先，提出了NH₃等离子体肖特基界面调控方法。通过远程等离子体处理β-Ga₂O₃表面，在尽量减弱物理轰击的同时改变界面化学状态，实现了0.73 V低开启电压以及较低的比导通电阻。

②其次，建立了界面化学状态—缺陷响应—载流子输运之间的联系。XPS观察到Ga–N键形成以及Ga亚氧化物和吸附氧减少，电导测试则表明表观Dᵢₜ平均下降约33%；与此同时，反向输运由TAT转变为TFE，从不同维度验证了NH₃等离子体对肖特基界面的调控作用。

③最后，实现了正向导通和反向阻断性能的同步改善。在开启电压由0.96 V降低至0.73 V的同时，器件反向漏电显著降低，击穿电压由822 V提升至974 V，为兼顾低导通损耗和高阻断能力的β-Ga₂O₃ SBD界面工程提供了新的技术路径。

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结论

该工作通过远程NH₃等离子体处理实现了β-Ga₂O₃肖特基界面的化学状态调控。

研究结果表明，NH₃等离子体处理能够在β-Ga₂O₃表面形成Ga–N相关键合，并同时减少Ga亚氧化物和吸附氧，使表观界面态密度平均降低约33%。在此基础上，器件开启电压由0.96 V降低至0.73 V，反向载流子输运由TAT转变为TFE，击穿电压由822 V提高至974 V。

这一结果说明，通过等离子体调控β-Ga₂O₃近表面化学态和缺陷状态，是改善肖特基界面质量、降低导通损耗并提升反向阻断性能的一种有效界面工程方案。

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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 NH₃等离子体处理β-Ga₂O₃ SBD的器件结构、关键制备流程、C-V特性及载流子浓度分布。

图2 有/无NH₃等离子体处理β-Ga₂O₃ SBD的正向J-V特性以及势垒高度、理想因子、开启电压和比导通电阻统计结果。

图3 有/无NH₃等离子体处理β-Ga₂O₃ SBD的频率相关电导特性及提取的表观界面态密度。

图4 有/无NH₃等离子体处理Ni/β-Ga₂O₃样品的Ga 3d和O 1s XPS谱。

图5 β-Ga₂O₃ SBD反向J-V特性以及不同反向载流子输运机制示意图。

图6 已报道无边缘终端垂直β-Ga₂O₃ SBD的开启电压与击穿电压性能对比。

DOI：doi.org/10.1063/5.0321688

来源：亚洲氧化镓联盟