单晶和非晶ZnGa?O?作为β-Ga?O? MOSCAP器件栅极电介质的比较高温电学研究

《Materials Research Bulletin》：A comparative high-temperature electrical study of single crystal and amorphous ZnGa 2O 4 as a gate dielectric in β-Ga 2O 3 MOSCAP Devices

ZnGa?O?薄膜在β-Ga?O?衬底上的MOSCAPs器件性能研究，揭示了高温下漏电流剧增现象及界面陷阱特性。单晶ZnGa?O?带隙5.06 eV， amor phous薄膜带隙5.11 eV，两者在300°C时反向漏电流分别增长三个和五个数量级，通过Poole-Frenkel分析确认陷阱能级0.58 V和激活能0.47-0.23 eV。实验采用改进的PLD工艺解决Zn/Ga蒸气压失衡问题，XPS证实薄膜化学计量比接近理想值。

　　在当前的半导体技术发展中，宽禁带材料因其优异的物理和电性能而受到越来越多的关注。这类材料具有较高的击穿电压和良好的热稳定性，使其在高功率和高温度应用中展现出巨大的潜力。近年来，随着对高能效和高性能电子器件的需求不断增长，研究人员开始探索新的宽禁带材料，以替代传统的硅基器件。其中，氧化镓（Ga?O?）因其独特的性能，例如高击穿电压和热稳定性，已成为功率电子器件中的重要候选材料。然而，Ga?O?在实际应用中仍然面临一些挑战，包括界面质量、长期可靠性和制造成本等问题。因此，寻找具有更宽禁带的替代材料成为了一个重要的研究方向。

在这一背景下，氧化锌镓（ZnGa?O?）作为一种新型的宽禁带材料，吸引了广泛关注。ZnGa?O?不仅具有比Ga?O?更宽的禁带宽度，而且其结构特性也使其在电子器件中的应用前景更加广阔。研究表明，ZnGa?O?的禁带宽度范围在4.6至5.2电子伏特之间，其立方尖晶石结构有助于提高材料的导电性和各向同性。此外，ZnGa?O?具有良好的可掺杂性，理论上可以实现n型和p型掺杂，这为其在多种电子器件中的应用提供了可能。在实际实验中，ZnGa?O?的p型导电性已被证实，其原因是自掺杂效应，特别是锌镓反位缺陷（Zn?Ga）的存在，这些缺陷的电离能约为0.93电子伏特。同时，ZnGa?O?的n型导电性也源于氧空位的存在，这一特性已被多项研究证实。

为了进一步探索ZnGa?O?在电子器件中的应用潜力，研究人员通过不同的沉积技术，如脉冲激光沉积（PLD）、射频磁控溅射、化学气相沉积（CVD）和溶胶-凝胶法，成功制备了ZnGa?O?的薄膜。其中，PLD作为一种非平衡技术，被广泛用于宽禁带材料的薄膜生长，尤其适用于复合氧化物。然而，PLD在实际应用中仍面临一些挑战，如颗粒生成和可扩展性不足，这限制了其在工业领域的应用。因此，研究人员致力于优化PLD工艺，以提高薄膜的质量和应用范围。与此同时，HVPE（氢化物气相外延）作为一种熔融生长技术，被用于制备高质量的β-Ga?O?单晶衬底，这为ZnGa?O?在β-Ga?O?基的MOS器件中的应用提供了基础。

在本研究中，ZnGa?O?薄膜被沉积在n型β-Ga?O?衬底上，并且分别研究了其单晶和非晶态形式在高温条件下的性能。研究团队采用PLD技术制备了两种类型的ZnGa?O?薄膜，其中单晶薄膜在750°C的衬底温度和1×10?2 torr的氧气压力下成功生长，而非晶态薄膜则在室温下制备。为了确保ZnGa?O?薄膜的成分稳定，研究团队特别设计了Zn?.98Ga?.02O作为靶材，以弥补Zn和Ga之间的蒸气压差异，从而提高薄膜的生长质量和Zn的浓度。

在性能评估方面，研究人员构建了Au/ZnGa?O?/β-Ga?O?金属-氧化物-半导体电容器（MOSCAPs），并测试了其在高达300°C温度下的表现。实验结果表明，随着温度的升高，这些MOSCAPs的反向漏电流显著增加。具体来说，单晶ZnGa?O?的漏电流从室温增加到300°C时，增长了约三个数量级，而非晶态ZnGa?O?的漏电流则增长了五个数量级。这一现象可以通过Poole–Frenkel（PF）分析来解释，PF分析显示，单晶ZnGa?O?的陷阱电位约为0.58伏特，而激活能则在0.47至0.23电子伏特之间。对于非晶态ZnGa?O?，其PF陷阱电位为0.6伏特，激活能范围为0.45至0.43电子伏特。这些数据表明，随着温度的升高，ZnGa?O?薄膜中的陷阱密度和界面态密度显著增加，从而影响了MOSCAPs的漏电流特性。

此外，研究人员还对这些MOSCAPs进行了C–V（电容-电压）分析，结果显示在高温条件下，这些器件的平带电压发生了显著偏移，同时其斜率也发生了变化。这一现象进一步证实了高温对ZnGa?O?薄膜中陷阱密度和界面态密度的影响。通过这些实验数据，研究人员能够评估ZnGa?O?作为门氧化层在β-Ga?O?基MOSCAPs中的可行性。同时，ZnGa?O?的介电常数通常在8至10之间，这一特性使其在某些电子器件中具有良好的应用前景。此外，ZnGa?O?与β-Ga?O?之间的能带偏移约为1.7电子伏特，这有助于减少界面处的漏电流。

综上所述，本研究通过实验方法，系统评估了ZnGa?O?在高温条件下的性能，特别是其作为门氧化层在β-Ga?O?基MOSCAPs中的表现。研究结果表明，ZnGa?O?薄膜在高温下的漏电流显著增加，这主要归因于陷阱密度和界面态密度的上升。同时，通过XPS分析，研究团队确认了ZnGa?O?薄膜的成分接近化学计量比，这为后续的器件优化提供了基础。此外，研究还表明，ZnGa?O?具有良好的可掺杂性，这使其在不同类型的电子器件中具有广泛的应用前景。未来，随着对宽禁带材料的研究不断深入，ZnGa?O?有望成为高功率和高频率电子器件的重要组成部分，尤其是在需要高温稳定性和高击穿电压的应用场景中。

为了进一步推动ZnGa?O?在电子器件中的应用，研究人员还探讨了其与其他材料的兼容性。例如，ZnGa?O?与β-Ga?O?之间的能带偏移使其在某些情况下能够有效阻断界面漏电流，从而提高器件的性能。同时，ZnGa?O?的介电常数使其在某些应用中成为理想的门氧化层材料。这些发现不仅为ZnGa?O?的材料特性提供了更全面的理解，也为未来的研究提供了新的方向。通过进一步的工艺优化和材料研究，ZnGa?O?有望在更多高能效电子器件中得到应用，包括功率二极管（SBDs）、金属-氧化物-半导体电容器（MOSCAPs）和金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFETs）等。

此外，ZnGa?O?的生长和沉积过程也对研究结果产生了重要影响。例如，在PLD过程中，由于Zn和Ga的蒸气压差异，Zn的浓度容易降低，因此研究人员采用了Zn?.98Ga?.02O作为靶材，以确保ZnGa?O?薄膜的成分稳定。这一方法不仅提高了薄膜的生长质量，还保证了Zn的浓度在所需的范围内。通过这一优化，研究人员能够更准确地评估ZnGa?O?在高温下的性能，从而为后续的器件设计和优化提供依据。

在实验过程中，研究团队还对ZnGa?O?薄膜的结构进行了分析。XRD（X射线衍射）结果显示，单晶ZnGa?O?薄膜在750°C和1×10?2 torr的条件下成功生长，形成了清晰的晶体结构。而非晶态ZnGa?O?薄膜则在室温下制备，其结构特征与单晶薄膜有所不同。这些结构差异对薄膜的电性能产生了显著影响，例如单晶薄膜的导电性和各向同性优于非晶态薄膜。因此，在选择ZnGa?O?作为门氧化层时，需要根据具体的应用需求来决定采用哪种形式的薄膜。

研究团队还对ZnGa?O?的导电性能进行了分析。实验结果显示，ZnGa?O?的自由电子浓度约为102?/cm3，而电子迁移率较高，约为100 cm2/(Vs)。这一特性使其在某些情况下能够表现出良好的导电性，甚至在掺杂后可以实现p型导电。这些发现表明，ZnGa?O?具有良好的可调控性，这为未来的研究提供了新的可能性。同时，ZnGa?O?的高电子迁移率也使其在某些高频率电子器件中具有潜在的应用价值。

此外，ZnGa?O?在不同条件下的性能变化也引起了研究团队的关注。例如，在高温条件下，ZnGa?O?的漏电流显著增加，这可能与材料中的陷阱密度和界面态密度有关。为了进一步研究这一现象，研究人员采用了不同的分析方法，如PF分析和C–V分析，以评估ZnGa?O?在高温下的性能变化。这些分析方法不仅帮助研究团队理解了ZnGa?O?的性能特性，也为后续的器件优化提供了理论支持。

在实际应用中，ZnGa?O?的性能表现可能受到多种因素的影响，包括沉积条件、材料成分、界面质量等。因此，研究团队在实验过程中特别关注这些因素，并通过优化沉积参数来提高ZnGa?O?薄膜的性能。例如，通过调整氧气压力和衬底温度，研究人员能够控制薄膜的结构和成分，从而优化其电性能。这些实验数据表明，ZnGa?O?在高温下的性能变化具有一定的可控性，这为未来的研究提供了新的方向。

研究团队还对ZnGa?O?的界面特性进行了分析。通过C–V分析，研究人员发现，随着温度的升高，ZnGa?O?薄膜中的界面态密度显著增加，这可能导致MOSCAPs的漏电流增加。这一现象表明，ZnGa?O?作为门氧化层在高温下的性能可能受到界面态密度的影响。因此，在设计和优化ZnGa?O?基MOSCAPs时，需要特别关注界面质量，以减少漏电流并提高器件的稳定性。

此外，ZnGa?O?的材料特性还可能影响其在不同电子器件中的应用。例如，在某些情况下，ZnGa?O?的高导电性和各向同性使其成为理想的导电材料，而在其他情况下，其低导电性可能使其成为绝缘材料。因此，研究人员需要根据具体的应用需求来选择合适的材料形式，并通过掺杂来调整其导电性。这些研究发现不仅为ZnGa?O?的材料特性提供了更全面的理解，也为未来的研究提供了新的思路。

在研究过程中，研究人员还对ZnGa?O?的性能变化进行了详细记录。例如，单晶ZnGa?O?在高温下的漏电流增加幅度较小，而非晶态ZnGa?O?的漏电流增加幅度较大。这一现象表明，材料的结构对漏电流的特性有显著影响。因此，在选择ZnGa?O?作为门氧化层时，需要根据具体的结构需求来决定采用哪种形式的薄膜。

总的来说，ZnGa?O?作为一种新型的宽禁带材料，其在高温下的性能表现和结构特性使其在电子器件中的应用前景广阔。通过本研究，研究人员不仅验证了ZnGa?O?在高温下的性能变化，还探讨了其作为门氧化层在β-Ga?O?基MOSCAPs中的可行性。这些研究发现为未来的研究提供了重要的理论支持和实验数据，同时也为ZnGa?O?在更多电子器件中的应用提供了可能。随着对宽禁带材料的研究不断深入，ZnGa?O?有望成为高功率和高频率电子器件的重要组成部分，特别是在需要高温稳定性和高击穿电压的应用场景中。