摘要：西安电子科技大学郝跃院士与西安交通大学周磊簜副教授的联合团队，携手晟光硅研杨森等研究人员，在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了题为“ Low-temperature supercritical fluid treatme

西安电子科技大学郝跃院士与西安交通大学周磊簜副教授的联合团队，携手晟光硅研杨森等研究人员，在《Journal of Alloys and Compounds》上发表了题为“ 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”的研究论文。该研究证实，低温超临界流体处理能通过陷阱钝化、界面优化与能带结构改性的协同效应，有效恢复并增强退化β-Ga₂O₃基二极管的电学性能。

本研究得到国家重点实验室稳定支持基金（No. JBSY252800260）、宽禁带半导体器件与集成技术国家重点实验室基础研究基金（No. 2413S121）以及国家自然科学基金（No. 62204198）的支持。感谢西安交通大学微电子学院 Xuhui Wang 女士在提供测量系统方面给予的宝贵协助。

Part.1/ 背 景

β-氧化镓（β-Ga2O3）功率器件的性能和可靠性受到材料内部和界面处高密度陷阱态的严重制约。这些陷阱态主要来源于本征缺陷和器件制备过程中引入的损伤，会导致漏电流增大、击穿电压降低和器件寿命缩短等问题。传统的高温退火方法虽然可以修复部分缺陷，但其高温过程（通常 > 400 °C）容易引发界面副反应、掺杂剂重新分布和材料结构退化等新问题，尤其对于异质结构器件的兼容性差。因此，开发一种低温、高效的缺陷修复和性能恢复技术对于推动 β-Ga2O3 器件的实用化至关重要。

Part.2/ 主要内容

低温超临界流体（SCF）工艺在提升（超）宽禁带半导体器件的电学性能及恢复其退化特性方面展现出显著潜力。本研究针对因储存环境导致电性能退化的超宽禁带 β-Ga2O3 基二极管，探究了低温超临界 N2O 流体处理的效果，包括 Ni/β-Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBD）、 NiO 环结构 β-Ga2O3 肖特基势垒二极管（SBDs-GR）及NiO/β-Ga2O3 PN 结二极管（PNDs）。电学表征表明，SCF 处理显著改善了退化二极管的正向导通特性并大幅降低漏电流，主要源于陷阱钝化、界面优化与能带结构改性的协同效应。一方面，退化二极管经 SCF 处理后正向饱和电流密度恢复，伴随电子陷阱钝化效应；另一方面，SBDs 和 SBDs-GR 中漏电流的降低与 Poole-Frenkel 发射及 Fowler-Nordheim 隧穿效应的抑制密切相关。此外，对比分析表明 SCF 处理对 SBDs 和 SBDs-GR 的改善效果显著优于 PNDs。本研究不仅证实了 SCF 工艺修复劣化 β-Ga2O3 基二极管的可行性，更为其应用于提升 β-Ga2O3 器件电学性能提供了关键实验证据与理论支撑。

Part.3/ 亮 点

● 低温超临界流体（SCF）处理可改善退化 β-Ga2O3 基二极管的正向导电特性并降低漏电流。

● 载流子导电特性的变化源于陷阱钝化、界面优化与能带结构改性的协同效应。

● SCF 处理呈现出器件依赖性和结构依赖性效应。

Part.4/ 结 论

本研究系统探究了 SCF 工艺对退化 Ni/β-Ga2O3 SBDs、Ni/β-Ga2O3 SBDs-GR 以及 NiO/β-Ga2O3 PNDs 的电学性能影响机制，并比较分析了 SCF 处理的差异效应。主要结论如下：

(i)正向导通特性方面，SCF 处理有效钝化了 β-Ga2O3 中的电子陷阱，消除了净载流子浓度的频率色散，从而显著降低了 SCF 处理后退化器件的 Rsp,on。

(ii)对于经 SCF 处理的退化 SBDs 和 SBDs-GR 器件，耗尽层中电子陷阱密度的降低及其能级的改性有效抑制了功率频率效应（PFE）。此外，净载流子浓度的轻微降低导致工作距离（WD）增加。因此，经 SCF 处理的退化 SBDs 和 SBDs-GR 因 SBH 和 WD 的提升而使 qΦeff 增强，有效降低了 FNT 主导的漏电流。

(iii)在阈值电压 (Nss) 方面，相较于 Ni/β-Ga2O3 界面，SCF 处理对 NiO/β-Ga2O3 界面间隙陷阱的钝化效果更显著。此外，SBDs 的 Nss 值仍不足以引发 SBH 分散效应。

(iv)关于 SCF 处理对二极管的差异化影响，PND-SCF 因 NiO/β-Ga2O3 界面载流子复合减弱而使 η 降低 0.6。然而相较于 SBDs 和 SBDs-GR，SCF 处理对 PND 的相对有限效果可能与其工艺参数敏感性密切相关。

图1. β-Ga2O3 基二极管的制备工艺及示意图。(a) Ni/β-Ga2O3 SBD、Ni/β-Ga2O3 SBD-GR 及 NiO/β-Ga2O3 PND 的器件结构。(b) 关键制备步骤。(c) 低温表面冷冻处理系统。

图2. (a-c) 退化 β-Ga2O3 基二极管在低温 SCF 处理前后与原始样品的正向 J-V 曲线及 (d-f) Ron,sp 对比。(a,d) SBDs，(b,e) SBDs-GR，(c,f) PNDs。

图3. 经低温SCF处理前后退化的 β-Ga2O3 基二极管的 SBH 和 η 值。灰色虚线及数字表示原始样品 的对应数值，黑色数字代表箱线图的平均值。

图4. (a-f) 退化 β-Ga2O3 基二极管在反向偏压下，经低温 SCF 处理前后对应的频率依赖性 C-V 曲线与 1/C2-V 曲线，以及 (g) 等效电路。(a) SBD-W/O, (b) SBD-GR-W/O, (c) PND-W/O, (d) SBD-SCF, (e) SBD-GR-SCF, (f) PND-SCF。图 4a-f 中虚线代表 1 MHz 频率下的理想 C-V 曲线。

图5. 退化 Ni/β-Ga2O3 结型二极管（SBDs）与 SBDs-GR 在 1 MHz 频率下，经低温 SCF 处理前后 Ri 与电压的关系曲线。

图6. 退化 β-Ga2O3 基二极管在正向偏压下经低温 SCF 处理前后的频率依赖性 C-V 曲线与 G/ω-V 曲线。（a）SBD-W/O，（b）SBD-GR-W/O，（c）SBD-SCF，（d）SBD-GR-SCF。

图7. 退化 Ni/β-Ga2O3 SBDs 与 SBDs-GR 在低温 SCF 处理前后，其 Nss 随频率变化曲线。

图 8. （a-c）不同频率下退化后的 β-Ga2O3 基二极管的净载流子浓度以及（d-f）其分布情况，由 C-V 曲线得出。（a,d）SBD，（b,e）SBD-GR，（c,f）PND。

图9. (a) 1 MHz 频率下 Vbi 曲线；(b) 基于退化 β-Ga2O3 的二极管从 C-V 曲线获得的频率依赖性 SBH 特性；(c) 零偏压下 SBDs 与 SBDs-GR 的能带图。

图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 函数。(e) 通过 Norde 法获得的 Rs 值及 (f) SBH 值。

图11. 退化 β-Ga2O3 基二极管经低温 SCF 处理前后与原始样品的漏电流密度及击穿特性对比。(a) 反向 J-V 特性曲线（Vbr 为击穿电压，VR 为反向偏压）。(b) 由 TE、PFE 和 FNT 组成的 SBDs 与 SBDs-GR 漏电流示意图。(c) 低温 SCF 处理对 SBDs 与 SBDs-GR 能带结构的影响。(d-i) 分别采用 TE、PFE 和 FNT 机制拟合的 SBD 原始样品、SBD-W/O、SBD-SCF、SBD-GR 原始样品、SBD-GR-W/O 及 SBD-GR-SCF 的漏电流密度曲线。

来源：芯世界