【J.Semicond.】電子科技大學&武漢大學合作研究：氟等離子體與電熱退火協(xié)同調(diào)控Ni/β-Ga?O?肖特基接觸界面特性
電子科技大學周琦教授聯(lián)合武漢大學張召富教授，通過實驗與第一性原理分析相結合的方法，系統(tǒng)研究了氟等離子體處理與電熱退火（ETA）對 Ni/β-Ga2O3 肖特基接觸界面特性的協(xié)同調(diào)控機制。研究成果以 “Impact of Fluorine Plasma and Electrothermal Annealing on the Interfacial Properties at Ni/β-Ga2O3 Schottky Contacts”發(fā)表于《Journal of Semiconductors》，為高性能 β-Ga2O3 功率器件的界面工程提供了重要的理論與實驗依據(jù)。電子科技大學博士生祝江根和武漢大學博士生馮嘉仁為共同第一作者，張召富教授與周琦教授為共同通訊作者。
電子科技大學周琦教授聯(lián)合武漢大學張召富教授，通過實驗與第一性原理分析相結合的方法，系統(tǒng)研究了氟等離子體處理與電熱退火（ETA）對 Ni/β-Ga2O3 肖特基接觸界面特性的協(xié)同調(diào)控機制。研究成果以 “Impact of Fluorine Plasma and Electrothermal Annealing on the Interfacial Properties at Ni/β-Ga2O3 Schottky Contacts”發(fā)表于《Journal of Semiconductors》，為高性能 β-Ga2O3 功率器件的界面工程提供了重要的理論與實驗依據(jù)。電子科技大學博士生祝江根和武漢大學博士生馮嘉仁為共同第一作者，張召富教授與周琦教授為共同通訊作者。
一、 背景
β-Ga2O3 因其超寬禁帶（4.7–4.9 eV）、高臨界擊穿場強（8 MV/cm）和優(yōu)異的巴利加優(yōu)值（~3400），被視為下一代功率器件的理想材料。然而，肖特基接觸界面存在的氧空位和表面態(tài)嚴重限制了氧化鎵器件的性能與可靠性。尤其是在經(jīng)過器件制備工藝中的刻蝕后，氟基等離子體刻蝕工藝會引入氟元素與界面缺陷，這無疑會導致肖特基界面惡化，引起肖特基勢壘高度降低、漏電流增大。因此深入研究氟等離子體對肖特基界面的影響，并結合有效的手段解決氟離子的影響甚至提升器件的性能至關重要，如本文所提出的電熱退火技術。
二、 主要內(nèi)容
本研究對比了三種 Ni/β-Ga2O3 肖特基界面：無特殊處理樣品（Sample 1）、氟等離子體處理樣品（Sample 2）、以及氟等離子體處理后進行電熱退火（ETA）的樣品（Sample 3）。通過X射線光電子能譜（XPS）和第一性原理分析，證實了氟等離子體處理會引入氧空位（VO）和氟替代氧（FO）缺陷，導致肖特基勢壘高度從 1.11 eV 降至 0.67 eV。而后續(xù) ETA 處理產(chǎn)生的高溫過程通過晶格重組和缺陷鈍化，能夠有效修復 VO，使勢壘高度恢復至 1.07 eV。電學測試表明，經(jīng)過協(xié)同處理的 Sample 3 表現(xiàn)出最低的比導通電阻（5.89 mΩ·cm2）和最優(yōu)的反向阻斷特性。頻率依賴的電導測試進一步顯示，肖特基接觸的界面態(tài)密度從 Sample 2 的 (4.19–23.0)×1011 cm-2·eV-1顯著降低至 (0.46–2.09)×1011 cm-2·eV-1，甚至略低于未處理的 Sample 1，表明電熱退火技術能夠顯著提高肖特基接觸的界面質量。
三、 研究亮點
● 揭示了氟等離子體處理降低肖特基勢壘的物理機制：氟離子引入與氧空位增加導致費米能級上移。
● 提出并驗證了電熱退火（ETA）作為一種局部選擇性退火技術，可高效修復界面缺陷并調(diào)控肖特基勢壘高度。
● 實驗與理論計算相結合，利用第一性原理計算，系統(tǒng)研究了 FO 和 VO 對勢壘高度的影響。
● 協(xié)同處理實現(xiàn)了低導通電阻、低漏電流和高界面質量的統(tǒng)一，為功率器件優(yōu)化提供了新策略。
四、 結論
本研究通過氟等離子體與電熱退火的協(xié)同處理，實現(xiàn)了對 Ni/β-Ga2O3 肖特基接觸界面特性的有效調(diào)控。結合 XPS、電學測試與第一性原理分析，明確了氟離子引入與氧空位對勢壘高度的調(diào)控機制，以及ETA處理對氟等離子體刻蝕缺陷的修復作用。該工作不僅深化了對 β-Ga2O3 肖特基界面物性的理解，也為未來高性能、高可靠氧化鎵功率器件的制備提供了重要的工藝指導與理論支撐。
圖1. 三種樣品的 (a) 半對數(shù)坐標I-V特性，(b) 理想因子n與肖特基勢壘Φb，(c) 線性坐標I-V特性，(d) 反向I-V特性。
圖2. (a) 未經(jīng)氟等離子體處理的Sample1和 (b) 氟等離子體處理后的Sample2&3表面的AFM特征圖。
圖3. 氟等離子體處理和未處理的β-Ga2O3表面 (a) O 1s和(b) F 1s的XPS光譜對比。
圖4. (a) 具有少量VO，(b) 具有FO和較多VO，和 (c) 只有FO的Ni/β-Ga2O3(001)界面的PDOS計算結果。(d)三種肖特基界面實驗和計算的肖特基勢壘高度比較。
原文鏈接：
https://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/25050020
本文轉發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號