【国际论文】英国曼彻斯特大学：关于β-Ga₂O₃外延层深层缺陷的本质：等时快速热退火的影响

        由英国曼彻斯特大学的研究团队在学术期刊Journal of Applied Physics 发布了一篇名为On the nature of deep-level defects in β-Ga₂O₃ epilayers: The impact of isochronal rapid thermal annealing （关于β-Ga₂O₃外延层深层缺陷的本质：等时快速热退火的影响）的文章。

        单斜晶型氧化镓（β-Ga₂O₃）是极具潜力的高功率器件与深紫外光电器件材料，其超宽禁带（约4.8 eV）赋予了8 MV/cm的高理论击穿场强，Baliga优值优于SiC、GaN等主流宽禁带半导体。该材料可通过垂直布里奇曼法直接熔体生长6英寸大尺寸单晶，实现高质量同质外延，减少异质衬底引入的外延缺陷。通过Si、Sn、Ge等浅施主掺杂，β-Ga₂O₃可实现10¹⁵~10²⁰ cm^-3范围的n型导电调控，而p型导电因真空能级与价带顶间距大、价带平坦导致空穴迁移率低等问题难以实现。

        高性能单极β-Ga₂O₃器件需可控自由电子密度与低缺陷的外延层，但其单斜晶结构对称性低，存在两种不等价Ga位、三种O位和六种间隙位，还易形成分裂空位，导致杂质晶格位点多样、电子特性复杂，且复合缺陷形成能低，E1陷阱的候选缺陷难以确定，深能级缺陷的识别与研究成为难点。此前相关研究尚未系统分析缺陷的热稳定性与电场依赖性，本文采用常规深能级瞬态谱（DLTS）与高分辨率Laplace-DLTS，结合N₂氛围下150~450℃的等时快速热退火（RTA），研究Si掺杂MOCVD生长的(010)β-Ga₂O₃外延层深能级缺陷，为该材料的缺陷调控与器件优化提供支撑。

        采用深能级瞬态谱（DLTS）与拉普拉斯-深能级瞬态谱（Laplace-DLTS），对金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长、生长过程中掺Si的(010)晶向β-Ga₂O₃外延层中的电活性缺陷展开研究。通过在150-450 ℃ 范围内以100 ℃ 为步长进行氮气氛围下的等时快速热退火，探究了该退火工艺对铂肖特基势垒二极管电学特性及缺陷浓度的影响。实验检测到四个深能级缺陷，其浓度处于10¹³-10¹⁴ cm⁻³ 范围，电子发射至导带的激活能（ΔE_c）分别为0.06、0.40、0.55和0.62 eV。加热至400 K后，DLTS测试中不再观测到E_c-0.06 eV陷阱；350 ℃ 退火后，E_c-0.62 eV陷阱被抑制。与之相反，E_c-0.40 eV陷阱的浓度随退火逐步降低，而E_c-0.55 eV能级的陷阱密度随每次快速热退火步骤升高，这表明缺陷沿[010]方向发生了再分布。电子发射速率的电场依赖性分析显示，E_c-0.55 eV能级表现出受主型特性，E_c-0.62 eV能级则呈现施主型特性。由于这两个能级的激活能均与文献中广泛报道的E1缺陷相符，本文提出命名规范：将E_c-0.55 eV命名为E1a，E_c-0.62 eV命名为E1b，并对所观测到的各缺陷的本质及潜在起源进行了探讨。

        1.系统研究了氮气氛围下150~450 ℃ 等时快速热退火对Si掺杂MOCVD生长的(010)β-Ga₂O₃外延层电活性深能级缺陷的影响规律，同时分析了退火对Pt肖特基势垒二极管电学特性的作用。

        2.在目标材料中检测到四个特征明确的深能级缺陷，确定其电子发射激活能为0.06-0.62 eV，浓度均处于10¹³ -10¹⁴ cm⁻³ 区间。

        3.揭示了不同深能级缺陷的热稳定性差异：E10（E_c-0.06 eV）400 K后消失，E1b（E_c-0.62 eV）350℃退火被抑制，E9（E_c-0.40 eV）浓度随退火持续降低，E1a（E_c-0.55 eV）陷阱密度随退火逐步升高，证实缺陷沿[010]方向再分布。

        4.通过电子发射速率的电场依赖性分析，明确E1a为受主型缺陷、E1b为施主型缺陷，首次为广泛报道的E1缺陷提出E1a/E1b的细分命名规范，解决了E1缺陷表征模糊的问题。

        5.阐明了反向偏置退火和等时快速热退火过程中，β-Ga₂O₃外延层载流子浓度的变化机制，以及其与缺陷迁移、激活的内在联系。

        本文采用深能级瞬态谱（DLTS）与拉普拉斯-深能级瞬态谱（Laplace-DLTS）对MOCVD生长的Si掺杂β-Ga₂O₃进行研究，表征了其电活性缺陷的相对热稳定性，以及与电场相关的施主型和受主型特性。结果表明，E_c-0.06 eV（E10）和E_c-0.62 eV（E1b）陷阱为施主能级，而E_c-0.40 eV（E9）和E_c-0.55 eV（E1a）陷阱为深受主能级。利用DLTS测试过程中产生的反向偏置退火，以及等时快速热退火对表观陷阱密度的影响，探究了各缺陷的相对热稳定性与迁移行为。研究发现，E9和E1b存在热不稳定性或从外延层向外扩散的现象，而E1a则发生热激活生成或向外延层内扩散。与之不同，E10表观陷阱密度的快速降低，是由于连续退火使掺杂剂发生热激活，进而导致电场增强的电子发射效应。值得注意的是，本课题组此前的研究未发现快速热退火会生成E1a，因此本研究中特定的实验步骤顺序，可能对E1a的形成及E9的同步抑制起到关键作用。结合激活能、施主/受主特性及相对热稳定性的综合分析证实，此前文献中报道的、被普遍归为E1缺陷的E_c-0.60 eV附近陷阱，实际是带隙内能级间距相近的两种缺陷态。据此，本文提出对E_c-0.55 eV和E_c-0.62 eV处观测到的深能级分别命名为E1a和E1b，可通过分析二者的施主型与受主型特性对其进行明确区分。

图1. （a）300K测试条件下，原始生长态样品及经150~450 ℃ 范围内各梯度快速热处理后的Pt/β-Ga₂O₃肖特基二极管电流密度-电压（J-V）特性曲线；（b）基于热电子发射模型推导所得，氮气氛围中退火温度与理想因子、肖特基势垒高度的关联变化曲线。

图 2. 基于 300 K 下电容 - 电压（C-V）测试推导所得的 Pt/β-Ga₂O₃肖特基二极管未补偿电离施主浓度耗尽层深度分布。图中展示了 DLTS 测试前后扫描得到的深度分布，以及后续氮气氛围中各次等时快速热退火处理后获得的深度分布。

图3. 常规深能级瞬态谱（DLTS）谱图（纵轴经陷阱浓度NT校正，用于表征峰值处的平均陷阱浓度）；其中（a）为原始生长态样品的初始DLTS扫描谱图，（b）为样品经氮气氛围各步等时快速热退火后的DLTS扫描谱图。所有DLTS谱图均在以下测试参数下采集： U_b=-10V、U_p=-4 V、t_p=1ms、e_n=50 s⁻¹。

图4. 基于常规深能级瞬态谱（DLTS）测算得到的四类观测深能级平均陷阱浓度曲线。阴影区域标注了原始生长态样品，以及DLTS测试中经310K、400K反向偏置退火后提取的平均陷阱浓度；非阴影区域则代表样品经各温度等时快速热退火后的平均陷阱浓度。

图5. 常规深能级瞬态谱（DLTS）中观测到的四类深能级，经T²校正后的电子发射速率阿仑尼乌斯图，图中标注了各陷阱电子发射至导带的激活能数值。

图 6.电子发射速率对数ln(e_em)随电场的变化曲线（a）0.55 eV陷阱（b）0.62 eV陷阱。该曲线分别揭示了两类陷阱的受主能级、施主能级特性，图中附注了具体测试条件与相关参数。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0319235