SiO2 钝化与离子液体门控技术在(In,Ga)As-InP窄通道中的电子输运调控研究

研究人员针对(In,Ga)As-InP窄通道因表面耗尽效应微弱导致的电子散射问题，通过溅射法制备SiO2 钝化层并结合离子液体门控技术，显著降低了环境分子吸附对导电性的干扰。研究发现钝化层缺陷可经退火消除，但高温退火会引发InP分解。该研究为高迁移率半导体器件的表面工程提供了新策略，成果发表于《Thin Solid Films》。

　　

研究背景与意义

在半导体器件微型化进程中，(In,Ga)As-InP异质结构因其高电子迁移率成为理想候选材料，但其表面近乎零耗尽层的特性导致环境分子吸附会显著散射电子，影响器件稳定性。传统GaAs基器件因表面耗尽限制无法实现纳米级窄通道设计，而(In,Ga)As通道虽能突破尺寸限制，却面临表面散射导致电学性能退化的难题。更棘手的是，常规钝化工艺可能引入缺陷，甚至因高温处理引发InP衬底分解。如何平衡表面保护与材料完整性，成为发展高频/低功耗器件的关键瓶颈。

研究方法与技术路线

德国洪堡大学等机构的研究团队采用分子束外延(MBE)生长In_0.75
Ga_0.25
As-InP量子阱结构，通过电子束光刻和反应离子刻蚀制备微米级窄通道。利用等离子溅射沉积SiO₂
钝化层，结合变温电阻测试和低温量子磁输运实验评估钝化效果。通过对比空气/真空环境下的电导变化、分析250K以上电阻反常下降行为，揭示缺陷生成机制。采用固态离子液体门控技术调控载流子浓度，辅以热退火实验探究缺陷修复极限。

研究结果与发现

保护性钝化的实现
未钝化通道在真空环境中电阻随时间下降30%，表明吸附分子解离可逆影响电导。SiO₂
覆盖使电阻波动幅度降至3%以内，证实钝化层有效隔离环境干扰。但4K量子振荡测试显示表面势仍存在微小波动，暗示氧原子可能穿透SiO₂
层扩散。

缺陷诱导的异常导电
在250-300K温区观察到电阻随升温而降低的反常现象，活化能分析表明这源于SiO₂
沉积时产生的浅能级缺陷。通过对比InP衬底和SiO₂
层的独立电学测试，排除了材料本征热激活导通的干扰。

退火修复的局限性
150°C退火可消除缺陷相关导电通道，使电阻恢复正温度系数。但500°C以上退火引发InP分解，导致不可逆晶格损伤。低温磁输运证实退火后仍存在简并电子气，说明重掺杂缺陷未能完全消除。

离子液体门控的补充调控
采用DEME-TFSI离子液体实现通道电阻20%的调控幅度，验证了在无表面耗尽体系中电场调控的有效性，为器件功能化提供新途径。

结论与展望

该研究系统揭示了溅射SiO₂
钝化(In,Ga)As-InP通道的"双刃剑"效应：既有效抑制环境敏感性的同时，沉积工艺会引入热激活缺陷。C. Golz团队通过多尺度电学表征证明，适度退火可修复轻缺陷，但InP的热不稳定性限制了深度修复的可能。研究创新性地结合钝化与离子液体门控技术，为高迁移率纳米器件的环境稳定性设计提供了理论依据和实践方案。未来需开发低温沉积工艺或探索Al₂
O₃
等替代钝化材料以规避热损伤问题。