低温超临界流体工艺对退化的Ni/β-Ga2O3肖特基势垒二极管电学性能的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0065

摘要/Abstract

摘要： 先进半导体工艺是提升β-Ga₂O₃基器件电学性能和修复其在工作环境中性能退化效应的关键技术。近年来，低温超临界流体工艺在降低半导体器件界面态、修复刻蚀工艺损伤和提高器件稳定性等方面展现出显著优势。本研究采用130 ℃和20 MPa的N₂O流体，对暴露在空气环境中导致电学性能退化的Ni/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管（SBDs）进行处理，通过电流-电压和电容-电压特性表征，探究低温超临界流体（SCF）处理前、后电学性能退化的SBDs器件导通特性和击穿特性的变化机理。研究结果表明：经SCF处理的SBDs正向饱和电流密度的升高伴随着体电子陷阱的减少和串联电阻的降低；肖特基势垒高度的提高和耗尽层的展宽有效抑制了电子隧穿，进而导致了漏电流的减小。此外，研究表明，退化后的Ni/β-Ga₂O₃ SBDs的金半接触界面态密度未受到SCF处理的显著影响，具有大时间常数的界面缺陷也未对肖特基势垒高度产生明显影响。本研究为低温超临界流体工艺在优化β-Ga₂O₃基器件性能方面的应用提供了重要的实验依据和理论支持。

关键词: 低温超临界流体工艺; 超宽禁带半导体; β-Ga₂O₃; 肖特基势垒二极管; 界面态密度; 电学性能

Abstract: Advanced semiconductor processes are the key technology for enhancing the electrical performance of β-Ga₂O₃-based devices and mitigating their degradation issues in service environments. Recent studies have demonstrated that low-temperature supercritical fluid process exhibits remarkable advantages in reducing interface states of semiconductor devices， repairing etching process damage， and improving device stability. In this study， low-temperature supercritical fluid （SCF） treatment was employed on Ni/β-Ga₂O₃ Schottky barrier diodes （SBDs） that has undergone degradation in air environment. The process was carried out at 130 ℃ and 20 MPa in N₂O fluid， and then the mechanism of changes in conductivity and breakdown characteristics of the degraded SBDs before and after SCF treatment were systematically investigated by current-voltage and capacitance-voltage measurements. The results demonstrate that the increase in forward saturation current density of SBDs with SCF treatment is accompanied by bulk traps reduction and series resistance decrease. Schottky barrier height elevation and depletion layer broadening effectively inhibit the electron tunneling， leading to leakage current reduction. Additionally， the study illuminates that interface state density of degraded Ni/β-Ga₂O₃ SBDs is not significantly affected by SCF treatment， and the interface traps with large time constants do not significantly affect the Schottky barrier height. This study provides critical experimental evidence and theoretical support for the application of low-temperature supercritical fluid process in optimizing the performance of β-Ga₂O₃-based devices.

Key words: low-temperature supercritical fluid process; ultrawide bandgap semiconductor; β-Ga₂O₃; Schottky barrier diode; interface state density; electrical performance

中图分类号:

TN31

宋昱杉, 陈浩, 李松, 杨明超, 杨松泉, 杨森, 周磊簜, 耿莉, 郝跃, 欧阳晓平. 低温超临界流体工艺对退化的Ni/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管电学性能的影响[J]. 人工晶体学报, 2025, 54(9): 1574-1583.

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图/表 8

图1 Ni/β-Ga2O3 SBDs示意图（a）和器件制造的关键工艺流程（b）

Fig.1 Schematic diagram of Ni/β-Ga2O3 SBDs （a） and the key process flow for device manufacturing （b）

图2 W/O（a）、SCF-1 h（b）和SCF-2 h（c）条件下性能退化的Ni/β-Ga2O3 SBDs在负偏压下的变频C-V曲线和1/C2-V曲线，以及三种条件的高频曲线对比图（d）

Fig.2 Frequency-dependent C-V curves and 1/C2-V curves at reverse bias of degraded Ni/β-Ga2O3 SBDs for W/O （a）， SCF-1 h （b） and SCF-2 h （c） conditions， and high-frequency curves for the three conditions （d）

图3 从低温超临界流体处理前、后退化的Ni/β-Ga2O3 SBDs的1/C2-V曲线中提取的不同频率下的净载流子浓度

Fig.3 Extracted net carrier concentration at different frequencies from 1/C2-V curves of degraded Ni/β-Ga2O3 SBDs before and after low-temperature supercritical fluid treatment

图4 根据C-V特性曲线提取的低温超临界流体处理前后退化的Ni/β-Ga2O3 SBDs肖特基势垒高度的频率相关性

Fig.4 Frequency-dependent Schottky barrier height obtained from the C-V curves of degraded Ni/β-Ga2O3 SBDs before and after low-temperature supercritical fluid treatment

图5 W/O（a）、SCF-1 h（b）和SCF-2 h（c）条件下退化Ni/β-Ga2O3 SBDs在正偏压下的变频C-V曲线和G/-V曲线，以及器件界面态密度随频率的变化（d）

Fig.5 Frequency-dependent C-V curves and G/-V curves at forward bias of degraded Ni/β-Ga2O3 SBDs for W/O （a）， SCF-1 h （b） and SCF-2 h （c） conditions， and interface state density as a function of the frequency （d）

图6 不同条件下Ni/β-Ga2O3 SBDs的正向J-V特性曲线、比导通电阻（a），以及开启电压、理想因子和肖特基势垒高度（b）

Fig.6 Forward J-V curves， specific on-resistance （a）， threshold voltage， ideality factor and Schottky barrier height （b） of Ni/β-Ga2O3 SBDs under different conditions

图7 通过Norde方法求解的不同条件下Ni/β-Ga2O3 SBDs的串联电阻（a）和肖特基势垒高度（b）

Fig.7 Series resistance （a） and Schottky barrier height （b） of Ni/β-Ga2O3 SBDs under different conditions obtained from the Norde's method

图8 不同条件下Ni/β-Ga2O3 SBDs的反向J-V曲线（a）和Fowler-Nordheim函数（b）

Fig.8 Reverse J-V characteristics （a） and Fowler-Nordheim plot （b） of Ni/β-Ga2O3 SBDs under different conditions

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低温超临界流体工艺对退化的Ni/β-Ga₂O₃肖特基势垒二极管电学性能的影响

Effect of Low-Temperature Supercritical Fluid Process on Electrical Performance of Degraded Ni/β-Ga₂O₃ Schottky Barrier Diodes

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