【国际论文】锂扩散对Ga₂O₃薄膜的影响

        由意大利帕尔马大学的研究团队在学术期刊 Applied Surface Science 发布了一篇名为 Effect of lithium diffusion into Ga₂O₃ thin films（锂扩散对 Ga₂O₃ 薄膜的影响）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）被列为超宽禁带半导体材料，在过去十年中备受关注。它可以稳定为五种不同的多晶型体，即 α、β、γ、δ 和 κ，所有这些都表现出超宽的能带隙（E_g ≈ 5 eV）。单斜晶系的 β-Ga₂O₃ 是热力学稳定的相，也是迄今为止研究最多的。实际上，它能够以块状晶体的形式合成，通过掺杂深受主和浅施主来调节其电阻率的范围很广，再加上预测的高击穿场强（E_br ≈ 8 MV/cm）、高化学和热稳定性以及高抗辐射性，使得这种材料在各种电子和光电子器件中颇具吸引力，例如肖特基势垒二极管（SBD）、金属-半导体场效应晶体管（MESFET）和金属-氧化物场效应晶体管（MOSFET）。然而，单斜晶系的多晶型体由于其晶体结构的内在低对称性，导致了若干功能性属性的各向异性，并且给同质和异质外延生长带来了挑战。实际上，其在各种衬底上的（-201）取向异质外延以及在名义上取向为（100）和（-201）衬底上的同质外延，使得其单斜晶胞能够发生几何孪晶，从而由于单斜角的存在形成多取向的不连续晶界。因此，到目前为止，只有有限的同质外延取向能够保证结构缺陷的低浓度。对于要求严格的功率电子器件领域，目前最广泛采用的是 β-Ga₂O₃ （010）同质外延。

        在 Ga₂O₃ 基 pn 异质结中集成锂基化合物（如 Li:NiO/Ga₂O₃、LiGa₅O₈/Ga₂O₃）引发了对界面稳定性的担忧，即锂扩散对 Ga₂O₃ 性能的影响。本研究通过原位扩散实验，对三种不同的 Ga₂O₃ 外延层系统进行了 Li 扩散行为的考察，包括：(001) κ-Ga₂O₃ 和 (–201) β-Ga₂O₃ 异质外延层生长于(001) α-Al₂O₃ 衬底上， 以及 (010) β-Ga₂O₃ 同质外延，这些温度与Li基外延层的合成/加工相关。本研究通过实验证实并量化了所有研究的 Ga₂O₃ 外延层系统中的 Li 扩散，并提供了 Li 体相（D_Li,bulk）和 2D 缺陷（D_Li,2D）的扩散系数。在 (010) β-Ga₂O₃ 同质外延层（理论上无结构缺陷）中，混合功能理论计算预测了由 Ga 空位（V_Ga）介导的扩散机制。此外，在 (010) β-Ga₂O₃ 同质层中，锂扩散过程对其功能特性（如额外的拉曼振动模式、在原本绝缘的样品中诱导的导电性）产生显著影响，这一现象在实验中得到突出展示，并初步归因于受主缺陷的钝化（即形成 V_Ga-nLi 复合物）。

        ● 在与 pn 异质结相关的 Ga₂O₃ 外延层中观察到锂扩散现象。

        ● 锂扩散可在原本绝缘的 β-Ga₂O₃ 中诱导出载流子系统。

        ● 锂扩散过程中 Ga₂O₃ 中深能级缺陷的深度依赖性重新分布。

        ● 与氧化物基体中存在锂相容的额外拉曼模式。

        ● 通过实验和理论研究提出的 β-Ga₂O₃ 中锂扩散机制。