【国际论文】射频氮等离子体对 GaN 异质结二极管中 β-Ga₂O₃ 氮化作用的衬底取向依赖性

        由美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Substrate-orientation dependence of β-Ga₂O₃ nitridation by RF nitrogen plasma for GaN heterojunction diodes（射频氮等离子体对 GaN 异质结二极管中 β-Ga₂O₃ 氮化作用的衬底取向依赖性）的文章。

        β相氧化镓（Ga₂O₃）已被应用于功率和光电微电子器件，展现出高纯度和高结晶度，且 n 型掺杂可控。然而 p 型掺杂尚未达到功率器件所需的控制精度。由于极低的色散导致空穴有效质量较大，生成的空穴具有极化子性质，无法对导电性做出有意义的贡献。作为替代方案，异质结器件已被探索，并在 p 型氮化镓（p-GaN）中取得了成功。GaN-β-Ga₂O₃ 异质结具有互补特性，两者均被归类为宽（或超宽）禁带材料，且具有高电子饱和速度和较大临界电场强度。此外 GaN 具有以镁（Mg）形式存在的 robust p 型掺杂剂。

        研究了衬底取向对生长在氮化 β-Ga₂O₃（BGO）上的异质外延 GaN 薄膜的结构性能的影响。通过反射高能电子衍射和 X 射线光电子能谱对 (100)、(001) 和 (-201) 向的 β-Ga₂O₃ 的氮化过程进行了监测，结果表明在所有情况下反应均通过形成氧化氮化物相进行。在固定氮化条件下，氮化速率 （Γ） 随基底表面自由能的倒数单调增加，即Γ(001) < Γ(-201) < Γ(100)。六方 GaN 在所有取向下均可实现，然而 (001) BGO 会形成不希望出现的 (101) 面 GaN 界面。在 (100) BGO 上也观察到重构的 BGO 晶粒。XRD 极图分析表明，在 (-201) 或 (100) 方向氮化后，双晶层并未转移到 GaN 外延层中，尽管在 (001) 方向生长时可能存在，这归因于该取向下较大的失配应变。在 (201) BGO 上生长的 Mg:GaN 保持了 p 型导电性和 0002 X 射线摇摆曲线的低全宽半高值，表明 (-201) BGO 是测试的界面中最为适宜用于 GaN 异质外延器件制备的界面。

图1. (a)（-201）、(b) (100) 和 (c) (001) 取向的 BGO 向 GaN 转变的反射高能电子衍射（RHEED）图案。在 (a) 和 (b) 中观察到 c 面 GaN 的对称性，而在(c)中观察到(101) GaN 的对称性。

图2. GaN 202 反射在 BGO (⁠-201) (a) 和 BGO (100) (b) 上的 XRD 极图，以及 GaN 100 反射在 BGO (001) (c) 上的 XRD 极图。在（c）中 BGO 的区轴位于中心，因为 BGO 的对称 002 反射的 2θ 值与 GaN 的非对称 100 反射重叠。未观察到重复或偏移的峰，表明 GaN 外延层为致密的单晶结构。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0259709