西電大學郝躍院士聯合西安交通大學周磊簜團隊：低溫超臨界流體處理在退化β相氧化鎵基二極管中恢復與增強電學性能的應用

由西安電子科技大學郝躍院士聯合西安交通大學周磊簜副教授的研究團隊在學術期刊 Journal of Alloys and Compounds 發布了一篇名為 Low-temperature supercritical fluid treatment for electrical performance restoration and enhancement in degraded β-Ga₂O₃-based diodes: synergistic effects of trap passivation, interface optimization, and band structure modification（低溫超臨界流體處理在退化 β-Ga₂O₃ 基二極管中恢復與增強電學性能的應用：陷阱鈍化、界面優化與能帶結構改性的協同效應）的文章。

本研究得到國家重點實驗室穩定支持基金（No. JBSY252800260）、寬禁帶半導體器件與集成技術國家重點實驗室基礎研究基金（No. 2413S121）以及國家自然科學基金（No. 62204198）的支持。感謝西安交通大學微電子學院 Xuhui Wang 女士在提供測量系統方面給予的寶貴協助。

β-氧化鎵（β-Ga₂O₃）功率器件的性能和可靠性受到材料內部和界面處高密度陷阱態的嚴重制約。這些陷阱態主要來源于本征缺陷和器件制備過程中引入的損傷，會導致漏電流增大、擊穿電壓降低和器件壽命縮短等問題。傳統的高溫退火方法雖然可以修復部分缺陷，但其高溫過程（通常 > 400 °C）容易引發界面副反應、摻雜劑重新分布和材料結構退化等新問題，尤其對于異質結構器件的兼容性差。因此，開發一種低溫、高效的缺陷修復和性能恢復技術對于推動 β-Ga₂O₃ 器件的實用化至關重要。

低溫超臨界流體（SCF）工藝在提升（超）寬禁帶半導體器件的電學性能及恢復其退化特性方面展現出顯著潛力。本研究針對因儲存環境導致電性能退化的超寬禁帶 β-Ga₂O₃ 基二極管，探究了低溫超臨界 N₂O 流體處理的效果，包括 Ni/β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管（SBD）、 NiO 環結構 β-Ga₂O₃ 肖特基勢壘二極管（SBDs-GR）及NiO/β-Ga₂O₃ PN 結二極管（PNDs）。電學表征表明，SCF 處理顯著改善了退化二極管的正向導通特性并大幅降低漏電流，主要源于陷阱鈍化、界面優化與能帶結構改性的協同效應。一方面，退化二極管經 SCF 處理后正向飽和電流密度恢復，伴隨電子陷阱鈍化效應；另一方面，SBDs 和 SBDs-GR 中漏電流的降低與 Poole-Frenkel 發射及 Fowler-Nordheim 隧穿效應的抑制密切相關。此外，對比分析表明 SCF 處理對 SBDs 和 SBDs-GR 的改善效果顯著優于 PNDs。本研究不僅證實了 SCF 工藝修復劣化 β-Ga₂O₃ 基二極管的可行性，更為其應用于提升 β-Ga₂O₃ 器件電學性能提供了關鍵實驗證據與理論支撐。

● 低溫超臨界流體（SCF）處理可改善退化 β-Ga₂O₃ 基二極管的正向導電特性并降低漏電流。

● 載流子導電特性的變化源于陷阱鈍化、界面優化與能帶結構改性的協同效應。

● SCF 處理呈現出器件依賴性和結構依賴性效應。

本研究系統探究了 SCF 工藝對退化 Ni/β-Ga₂O₃ SBDs、Ni/β-Ga₂O₃ SBDs-GR 以及 NiO/β-Ga₂O₃ PNDs 的電學性能影響機制，并比較分析了 SCF 處理的差異效應。主要結論如下：

(i)正向導通特性方面，SCF 處理有效鈍化了 β-Ga₂O₃ 中的電子陷阱，消除了凈載流子濃度的頻率色散，從而顯著降低了 SCF 處理后退化器件的 R_sp,on。

(ii)對于經 SCF 處理的退化 SBDs 和 SBDs-GR 器件，耗盡層中電子陷阱密度的降低及其能級的改性有效抑制了功率頻率效應（PFE）。此外，凈載流子濃度的輕微降低導致工作距離（W_D）增加。因此，經 SCF 處理的退化 SBDs 和 SBDs-GR 因 SBH 和 W_D 的提升而使 qΦ_eff 增強，有效降低了 FNT 主導的漏電流。

(iii)在閾值電壓 (N_ss) 方面，相較于 Ni/β-Ga₂O₃ 界面，SCF 處理對 NiO/β-Ga₂O₃ 界面間隙陷阱的鈍化效果更顯著。此外，SBDs 的 N_ss 值仍不足以引發 SBH 分散效應。

(iv)關于 SCF 處理對二極管的差異化影響，PND-SCF 因 NiO/β-Ga₂O₃ 界面載流子復合減弱而使 η 降低 0.6。然而相較于 SBDs 和 SBDs-GR，SCF 處理對 PND 的相對有限效果可能與其工藝參數敏感性密切相關。

圖1. β-Ga₂O₃ 基二極管的制備工藝及示意圖。(a) Ni/β-Ga₂O₃ SBD、Ni/β-Ga₂O₃ SBD-GR 及 NiO/β-Ga₂O₃ PND 的器件結構。(b) 關鍵制備步驟。(c) 低溫表面冷凍處理系統。

圖2. (a-c) 退化 β-Ga₂O₃ 基二極管在低溫 SCF 處理前后與原始樣品的正向 J-V 曲線及 (d-f) R_on,sp 對比。(a,d) SBDs，(b,e) SBDs-GR，(c,f) PNDs。

圖3. 經低溫SCF處理前后退化的 β-Ga₂O₃ 基二極管的 SBH 和 η 值。灰色虛線及數字表示原始樣品的對應數值，黑色數字代表箱線圖的平均值。

圖4. (a-f) 退化 β-Ga₂O₃ 基二極管在反向偏壓下，經低溫 SCF 處理前后對應的頻率依賴性 C-V 曲線與 1/C²-V 曲線，以及 (g) 等效電路。(a) SBD-W/O, (b) SBD-GR-W/O, (c) PND-W/O, (d) SBD-SCF, (e) SBD-GR-SCF, (f) PND-SCF。圖 4a-f 中虛線代表 1 MHz 頻率下的理想 C-V 曲線。

圖5. 退化 Ni/β-Ga₂O₃ 結型二極管（SBDs）與 SBDs-GR 在 1 MHz 頻率下，經低溫 SCF 處理前后 R_i 與電壓的關系曲線。

圖6. 退化 β-Ga₂O₃ 基二極管在正向偏壓下經低溫 SCF 處理前后的頻率依賴性 C-V 曲線與 G/ω-V 曲線。（a）SBD-W/O，（b）SBD-GR-W/O，（c）SBD-SCF，（d）SBD-GR-SCF。

圖7. 退化 Ni/β-Ga₂O₃ SBDs 與 SBDs-GR 在低溫 SCF 處理前后，其 Nss 隨頻率變化曲線。

圖 8. （a-c）不同頻率下退化后的 β-Ga₂O₃ 基二極管的凈載流子濃度以及（d-f）其分布情況，由 C-V 曲線得出。（a,d）SBD，（b,e）SBD-GR，（c,f）PND。

圖9. (a) 1 MHz 頻率下 V_bi 曲線；(b) 基于退化 β-Ga₂O₃ 的二極管從 C-V 曲線獲得的頻率依賴性 SBH 特性；(c) 零偏壓下 SBDs 與 SBDs-GR 的能帶圖。

圖10. 不同 γ 值下(a) SBD-W/O、(b) SBD-SCF、(c) SBD-GR-W/O及 (d) SBD-GR-SCF 的 Norde 函數。(e) 通過 Norde 法獲得的 R_s 值及 (f) SBH 值。

圖11. 退化 β-Ga₂O₃ 基二極管經低溫 SCF 處理前后與原始樣品的漏電流密度及擊穿特性對比。(a) 反向 J-V 特性曲線（V_br 為擊穿電壓，V_R 為反向偏壓）。(b) 由 TE、PFE 和 FNT 組成的 SBDs 與 SBDs-GR 漏電流示意圖。(c) 低溫 SCF 處理對 SBDs 與 SBDs-GR 能帶結構的影響。(d-i) 分別采用 TE、PFE 和 FNT 機制擬合的 SBD 原始樣品、SBD-W/O、SBD-SCF、SBD-GR 原始樣品、SBD-GR-W/O 及 SBD-GR-SCF 的漏電流密度曲線。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.184110