对PLD沉积的LaAlO?/Sn掺杂β-Ga?O?（?201）MOS电容器中的高温电传输及电流传导机制的研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Investigation of high-temperature electrical transport and current conduction mechanism in PLD deposited LaAlO 3/Sn-doped β-Ga 2O 3 (?201) MOS capacitor

本研究采用脉冲激光沉积技术制备LaAlO?薄膜于n型β-Ga?O?衬底，系统分析其结构、光学及电学特性，发现薄膜具有非晶态结构和约5.25 eV宽禁带，MOS器件在高温下表现出稳定的J-E特性及低泄漏电流，证实其适用于高功率电子器件。

　　

Subrata Karmakar|Mahfuz Ahmed Azmain|G. Anil Kumar|Mahipal Ranot|Nitumoni Deka|Injamamul Hoque Emu|N. Manikanthababu|Ariful Haque

物理系，马尼帕尔大学，斋浦尔，拉贾斯坦邦，303007，印度

摘要

本研究采用脉冲激光沉积（PLD）技术在n型β-Ga₂O₃（?201）单晶基底上生长LaAlO₃（LAO）薄膜，并对其在高温下的结构、光学、形态和电学性能进行了全面分析。X射线衍射（XRD）和紫外-可见光谱（UV-Vis）证实了LAO氧化层的非晶态特性，以及约5.25 eV的宽带隙所赋予的优异光学透明度。X射线光电子能谱（XPS）分析显示，La 3d_5/2、La 3d_3/2、Al-2p和O-1s能级表明非晶LaAlO基质中存在La³⁺、Al³⁺和O^2?离子。制备的LaAlO₃/β-Ga₂O₃ MOS电容器表现出稳定的电流密度-电场（J-E）特性、低泄漏电流密度，并具有Poole-Frenkel（PF）型发射特性，其陷阱能级为0.72 eV，激活能介于0.42 eV和0.57 eV之间，适用温度范围广泛。在电容-电压（C-V）分析中观察到MOSCAP器件的斜率和平带电压变化，表明氧化物和界面陷阱密度随温度升高而增加。LAO氧化层在室温下的介电常数（ε_r）约为20.2，损耗（δ）约为0.0012，而在573K时分别上升至28.05和0.92。总体而言，本工作证明了PLD生长的LaAlO₃/β-Ga₂O₃ MOS电容器的结构完整性和电学可靠性，强调了其在高功率和高温电子设备中的潜在应用。

引言

近年来，具有超宽带隙的单斜晶系β-Ga₂O₃因高击穿场强（约8 MV/cm）、宽带隙（约4.8-4.9 eV）、优异的热稳定性和成本效益高的制造工艺而受到广泛关注，使其成为高功率开关、肖特基二极管、高压金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）以及适用于恶劣环境传感器的理想材料[[1], [2], [3]]。然而，缺乏能够在高温下保持低泄漏电流、低界面陷阱密度和稳定性能的热稳定高κ值栅极绝缘体，继续阻碍着基于β-Ga₂O₃的MOS器件的发展[4,5]。因此，Sn掺杂的β-Ga₂O₃通常被认为是制造MOS电容器、MOSFET和高功率电子设备的最佳n型导电基底，因为Sn是最有效和稳定的掺杂剂，可以精确调节β-Ga₂O₃的电学性质[6,7]。Sn⁴⁺离子可以替代Ga³⁺离子，提供自由电子，典型的载流子浓度范围为10¹⁶至10¹⁹ cm^?3。这些特性使得Sn:Ga₂O₃成为Ga₂O₃基MOS器件和高功率电子设备的首选基底[[8], [9], [10]]。

LaAlO₃（LAO）是一种钙钛矿型氧化物材料，具有高介电常数（ε_r = 22-25）、宽带隙（约5.6 eV）以及优异的热稳定性和化学稳定性，成为UWBG半导体中很有前景的栅极氧化物[[11], [12], [13]]。由于其与β-Ga₂O₃的高带隙偏移、与氧化物表面的兼容性以及防止界面亚氧化物形成的能力，它特别适用于高温MOS应用[14]。脉冲激光沉积（PLD）技术能够在Sn掺杂的β-Ga₂O₃基底上实现LaAlO₃薄膜的致密、化学计量比和均匀生长，并能精确控制其成分和厚度，从而制备出高质量的MOS异质结构器件[15]。最近，P. H. Carey等人研究了通过射频磁控溅射沉积的LaAlO₃/(?201) β-Ga₂O₃的导带和价带偏移（?0.21 ± 0.02 eV），发现该结构有助于实现优异的电子限制[14]。A. Jayawardena等人研究了通过低压化学气相沉积的SiO₂和原子层沉积的Al₂O₃修饰的（?201）取向n型β-Ga₂O₃基MOS电容器的电学性能和界面陷阱[16]。S. Du等人通过高/低频及滞后电容-电压（C-V）测试和正向偏压应力测试研究了Al₂O₃/β-Ga₂O₃ MOS电容器的界面、边缘和体陷阱[17]。H. Zhang等人通过原子层沉积技术制备了HfAlO/Ga₂O₃金属氧化物半导体（MOS）电容器，并观察了其应力诱导的电荷陷阱和电学性能[18]。N. Manikanthababu等人利用温度依赖的电流-电压（I-V）和电容-电压（C-V）测量研究了通过PLD技术生长的GeO₂/Ga₂O₃ MOSCAPs的生长、优化和高温电学性能[19]。他们的团队还比较了单晶和非晶ZnGa₂O₄作为Sn掺杂β-Ga₂O₃ MOSCAP器件中栅极氧化物的高温电学响应[20]。S. K. Kim等人研究了5纳米厚的LaAlO₃/SrTiO₃异质结构的电容-电压特性，包括界面处的二维电子气（2DEG）[21]。X B Lu等人使用脉冲激光沉积技术在硅基底上制备了高质量的LaAlO₃（LAO）薄膜，发现这种材料在850°C以下仍保持非晶态[22]。然而，目前尚无关于LaAlO₃/n型β-Ga₂O₃基MOS电容器及其高温电学响应的研究。具有高介电常数和优异热稳定性的LaAlO₃氧化物为解决传统氧化物（如SiO₂和Al₂O₃）常见的界面和泄漏问题提供了新的解决方案。

因此，我们专注于使用PLD技术在Sn掺杂的n型β-Ga₂O₃基底上生长LaAlO₃薄膜，并在顶部和底部分别制作Au和Ti/Au接触点以制备MOSCAPS器件。将利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外-可见光谱来分析LaAlO₃在β-Ga₂O₃上的结构、形态和化学状态。高温电学研究至关重要，因为基于β-Ga₂O₃的器件需在恶劣的热环境中工作，如汽车电源模块、航空系统、工业电源转换器和深紫外探测器以及高功率开关电路中。高温可能导致泄漏增加、介电损耗、界面陷阱形成以及载流子传输机制的改变，因此了解LaAlO₃/β-Ga₂O₃系统中的这些热效应对于提高器件的长期稳定性和栅极堆栈可靠性至关重要。

部分摘要

LaAlO₃/β-Ga₂O₃异质结构的生长与制备

用于PLD沉积的LaAlO₃靶材为1英寸（高纯度99.9%）的LaAlO₃，购自Nanografi公司；Sn掺杂的（1 × 10¹⁸ cm³）n型（?201）取向β-Ga₂O₃基底（尺寸5 × 5 mm）则从日本Tamura Corporation提供的2英寸直径晶圆上切割获得。制备的β-Ga₂O₃基底按照我们论文中使用的标准协议进行了清洗。PLD技术被用来在β-Ga₂O₃基底上生长LaAlO₃薄膜。

结果与讨论

通过XRD测量评估了PLD沉积在Sn掺杂β-Ga₂O₃（?201）单晶基底上的LAO薄膜的结构质量，图2a展示了LAO/β-Ga₂O₃异质结构的强度-2θ XRD衍射图。单晶β-Ga₂O₃基底的（?201）特征反射峰占据了衍射谱的主导地位，没有其他与结晶LaAlO₃相匹配的强峰[19,25]。因此，未发现任何强烈的、尖锐的

结论

本研究重点关注了PLD沉积的LaAlO₃/β-Ga₂O₃异质结构的生长和表征，并系统地研究了这些器件在298 K至573 K范围内的高温电学行为（I-V、C-V），以评估其在极端环境和高功率电子应用中的实用性。XRD、UV-Vis测量以及FESEM和EDS结果证实了LaAlO₃层的非晶态特性和超宽带隙（E_g）约5.25 eV。

CRediT作者贡献声明

Subrata Karmakar：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源协调、项目管理、方法论设计、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构建。Mahfuz Ahmed Azmain：数据管理。G. Anil Kumar：数据管理。Mahipal Ranot：数据管理。Nitumoni Deka：数据管理。Injamamul Hoque Emu：数据管理。N. Manikanthababu：数据管理。Ariful Haque：监督、资源协调、项目管理

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Subrata Karmakar博士报告称获得了马尼帕尔大学斋浦尔分校的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

致谢

作者S.K.感谢德克萨斯州立大学的共享研究设施（SRO）提供的测量设备，以及MUJ物理系的实验室设施支持。