← 返回
储能系统技术 储能系统 宽禁带半导体 ★ 4.0

低温超临界流体处理改善Al₂O₃/β-Ga₂O₃界面机理

Mechanism of Improving Al₂O₃/β-Ga₂O₃ Interface After Supercritical Fluid Process at a Low Temperature

作者 Zhang Wen · Mingchao Yang · Songquan Yang · Song Li · Ming Li · Leidang Zhou
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 宽禁带半导体
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 β-Ga2O3 Al2O3 超临界流体工艺 MOSFET器件 界面性能
语言:

中文摘要

β - Ga₂O₃是一种宽带隙半导体,因其高击穿电压和快速开关特性而受到关注。然而,由于Al₂O₃/β - Ga₂O₃界面处存在较高的界面态密度,这对金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的性能和可靠性产生了重大影响,因此面临着诸多挑战。作为一种低温解决方案,超临界流体工艺(SCFP)被引入到Al₂O₃/β - Ga₂O₃金属 - 氧化物 - 半导体电容器(MOSCAP)的制造过程中,该工艺能有效减少氧空位和界面缺陷,尤其避免了高温对材料造成的损伤。近界面陷阱数量减少了一半,界面态数量减少至原来的五分之一。因此,击穿电场从6.01 MV cm⁻¹提高到了8.47 MV cm⁻¹。通过不同的测量和分析方法对SCFP的作用机制进行了探索和解释。深能级瞬态谱(DLTS)结果表明,经SCFP处理的器件缺陷浓度降低,电子俘获界面增加。超临界流体处理可通过减少Al₂O₃中的氧空位来钝化陷阱。研究得出结论,所提出的SCFP显著改善了电介质/半导体界面,可大幅提升晶体管的性能。

English Abstract

-Ga2O3, a wide bandgap semiconductor, has gained attention for its high breakdown voltage and fast switching properties. However, challenges exist because of high interface densities at the Al2O3/ -Ga2O3 interface, which greatly impacts the performance and reliability of metal-oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) devices. As a low-temperature solution, the supercritical fluid process (SCFP) is introduced to the fabrication process of Al2O3/ -Ga2O3 metal-oxide–semiconductor capacitor (MOSCAP), which effectively reduces the oxygen vacancies and interface defects, in particular avoiding the damage to the materials caused by high temperature. The near-interface traps are decreased by two times, and the interface states are reduced by five times. As a result, the breakdown electric field is improved from 6.01 to 8.47 MV cm−1. The mechanism of the SCFP is explored and explained by using different measurement and analysis methods. Deep-level transient spectroscopy (DLTS) results indicate that the defect concentration of SCFP devices decreases and the electron capture interface increases. Supercritical fluid treatment can passivate the traps by reducing O vacancies in the Al2O3. The study concludes that the proposed SCFP significantly improves the dielectric/semiconductor interface, which can greatly enhance the performance of transistors.
S

SunView 深度解读

从阳光电源功率半导体器件应用角度来看,这项关于β-Ga₂O₃/Al₂O₃界面优化的研究具有重要的战略参考价值。β-Ga₂O₃作为超宽禁带半导体(~4.8eV),其理论击穿电场强度达8 MV/cm,远超SiC和GaN,这与我们在高压大功率逆变器和储能变流器领域对更高效率、更高功率密度器件的需求高度契合。

该研究通过超临界流体工艺(SCFP)在低温条件下显著改善了MOS界面质量,将击穿电场从6.01提升至8.47 MV/cm,界面态密度降低五倍,近界面陷阱减少两倍。这种改进对功率器件至关重要:更低的界面态意味着更小的阈值电压漂移和更高的沟道迁移率,直接转化为更低的导通损耗和更快的开关速度。对于我们的1500V光伏逆变器和储能PCS产品,这可能带来系统效率0.5-1%的提升空间,同时提高器件可靠性。

技术成熟度方面,该研究仍处于MOS电容验证阶段,距离实际MOSFET器件和商业化应用尚有距离。主要挑战包括:β-Ga₂O₃材料本身的热导率较低(约27 W/m·K),在大功率应用中的散热问题需要系统级解决方案;超临界流体工艺的产业化成本和产能也需评估;以及与现有SiC/GaN产业链的竞争。

建议阳光电源中央研究院持续跟踪该技术路线,特别关注其在高压(>1200V)应用场景的进展,适时开展器件级联合开发,为下一代超高效能源转换系统储备技术能力。同时可探索该界面优化方法在现有SiC器件栅氧化层改进中的借鉴价值。