【国际论文】半绝缘 Ga₂O₃（Fe）中的俘获态和注入硅的氢化作用

        由俄罗斯国家研究型技术大学的研究团队在学术期刊 Journal of Vacuum Science & Technology A 发布了一篇名为 Trap states and hydrogenation of implanted Si in semi-insulating Ga₂O₃(Fe)（半绝缘 Ga₂O₃（Fe）中的俘获态和注入硅的氢化作用）的文章，该篇文章被该期刊评选为编辑推荐文章。

        研究工作得到了俄罗斯联邦科学与高等教育部的部分资助（Agreement No. 075-15-2022-1113）。佛罗里达大学的研究工作是作为“电离辐射与物质相互作用大学研究联盟”（IIRM-URA）的一部分完成的，该联盟由美国国防部国防威胁降低局资助，Award No. HDTRA1-20-2-0002。

        β-Ga₂O₃ 由于其超宽带隙（约 4.8 eV）和高击穿场强（8 - 10 MV/cm），是下一代高功率电子器件和紫外光探测器的极具前景的材料。在器件制造过程中，可控掺杂对于调整电学性能至关重要。通常采用硅离子注入法向 β-Ga₂O₃ 中注入 n 型掺杂，但这一过程往往会导致意外缺陷的形成以及载流子补偿，从而降低激活效率。此外，氢钝化已知会影响半导体中的缺陷态和掺杂行为。尽管氢化处理已被证明能改善某些材料的电学性能，但其对硅注入的 β-Ga₂O₃ 的影响仍知之甚少。研究旨在探究硅注入的半绝缘铁掺杂 β-Ga₂O₃ 的电学特性、深陷阱态以及氢化处理的影响。

        该研究探讨了Si 离子注入并经 1000°C 退火处理后的半绝缘 Ga₂O₃(Fe) 的电学特性和深能级陷阱谱。实验发现，测得的浅能级施主浓度分布与基于 SRIM 模拟的分布存在显著差异，表明存在较强的补偿效应。深能级瞬态谱（DLTS） 检测到 E_c–0.5 eV 的深受主能级，其浓度约为 10¹⁷ cm^-3，但不足以完全解释观测到的补偿效应。光电容谱（PCS） 进一步发现了额外的深受主能级，其光电离阈值分别在 2 和 2.8–3.1 eV 附近，初步归因于镓空位相关缺陷。然而，即便考虑这些深受主能级，其总浓度仍不足以解释 Si 施主的钝化现象，暗示可能形成了电中性 Si-空位复合体。此外，研究还分析了 Si 离子注入后经 330°C 氢等离子体处理的 Ga₂O₃(Fe) 的特性。结果表明，该材料表现出高电阻特性，且费米能级钉扎在 E_c–0.3 eV 处，类似于质子辐照 Ga₂O₃ 中常见的辐射缺陷。同时，DLTS 还检测到 E_c−0.6 eV 附近的显著深能级陷阱，与已知的 E1 电子陷阱（Si-H 复合体）特性一致。这些结果表明，在 Ga₂O₃ 中实现 Si 注入激活仍然面临挑战。此外，尽管氢等离子体处理对 Ga 注入的 Ga₂O₃ 具有良好效果，但对于 Si 注入材料而言，氢化处理可能会形成补偿性 Si-H 复合体，进而降低载流子浓度，限制其应用潜力。

图 1. 基于 SRIM 模型的注入硅的预期分布。

图 2. (a) 在 298 和 140 K 条件下，以 0 V 和 100 kHz 频率测量的注入和退火样品组 1 的 C-f 特性；(b) 根据 100 kHz 频率测量的 C-V 特性计算得出的室温下电子浓度深度曲线。

DOI：

doi.org/10.1116/6.0004463