氧化物分子束外延法制备HfO2 /n-GaAs(110)界面的化学稳定性与能带偏移研究

为解决高k介质/III-V族半导体界面缺陷问题，研究人员通过氧化物分子束外延法（Oxide-MBE）在氧化气氛中沉积HfO2 薄膜，结合XPS、REELS等技术证实界面化学稳定性与优异能带偏移（ΔEC =1.75 eV，ΔEV =2.62 eV），为高频器件开发提供新材料体系。

　　

随着半导体器件尺寸的持续微缩，传统Si/SiO₂
体系已面临量子隧穿效应和漏电流的物理极限。III-V族化合物半导体如砷化镓(GaAs)因其高电子迁移率成为替代硅的候选材料，但其与高k介质界面存在严重的缺陷态密度问题。氧化铪(HfO₂
)虽具有高介电常数(k=19-22)和宽禁带(5.6 eV)，但与GaAs的界面反应机制尚不明确。来自罗马尼亚国家材料物理研究所的Constantin Catalin Negrila团队通过创新性的氧化物分子束外延技术(Oxide-MBE)，在分子氧氛围中蒸发铪金属流，实现了原子级可控的HfO₂
/n-GaAs(110)界面制备，相关成果发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》。

研究采用多方法联用技术：通过电子束蒸发器控制Hf沉积速率(10 nm/h)，结合X射线光电子能谱(XPS)和角分辨XPS(ARXPS)原位分析界面化学态；利用反射电子能量损失谱(REELS)和Kraut法测定能带偏移；采用原子力显微镜(AFM)表征形貌，X射线衍射(XRD)确认非晶生长模式。

【半导体表面制备】
通过HF:H₂
O溶液湿法刻蚀结合氩离子刻蚀，获得富镓(Ga)的GaAs(110)表面，XPS证实表面存在Ga₂
O₃
钝化层。

【界面特性】
ARXPS显示1-20 nm HfO₂
薄膜与衬底形成陡峭界面，未检测到As氧化物。REELS测得导带偏移ΔE_C
=1.75 eV、价带偏移ΔE_V
=2.62 eV，满足MOSFET栅介质要求。

【电学性能】
介电常数k值达19-22，X射线反射率(XRR)显示薄膜致密无孔隙，AFM显示均方根粗糙度<0.5 nm。

该研究首次系统阐明了Oxide-MBE法制备的HfO₂
/GaAs界面具有化学惰性和优异能带排列，其界面态密度接近Ga₂
O₃
/GaAs基准值。通过精确控制衬底温度(200-250°C)和氧分压(10^-6
mbar)，实现了无界面反应的异质结生长，为开发高频、低功耗III-V族半导体器件提供了关键技术路径。研究揭示的Ga₂
O₃
界面钝化机制，对Al₂
O₃
/GaN等类似体系具有重要借鉴意义。