【国际论文】MOCVD方法制备的β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃合金中的深能级缺陷研究

        由美国俄亥俄州立大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Deep level defects in MOCVD-grown β-(Al_xGa_1−x)₂O₃（MOCVD 方法制备的 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 合金中的深能级缺陷研究 ）的文章。

        β-相氧化镓 (β-Ga₂O₃) 作为一种超宽禁带半导体，因其约 4.8 eV 的宽禁带、高击穿场强及大面积熔融生长衬底的可获得性，在高压和射频电子器件领域展现出巨大潜力。多种 β-Ga₂O₃ 器件结构（如 MESFET 和 MOSFET）已实现高击穿电压和大漏极电流等优异性能。近年来，β-(Al_1-xGa_x) ₂O₃/Ga₂O₃ 异质结 MODFET 受到广泛关注，其形成的二维电子气 (2DEG) 具有较高迁移率和片电荷密度。然而，势垒层和界面中的陷阱态会引起漏电流增加、开关比下降以及噪声问题，从而严重影响器件性能。尽管已有研究涉及 β-(Al_1-xGa_x) ₂O₃ 的结构特性及合金行为，但目前几乎没有关于在外延  β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 中充当陷阱的深层缺陷的存在和特性的信息。本研究针对 MOCVD 外延生长的 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 层，系统探究其深能级陷阱特性，还对 3% 至 10% Al 含量范围内的陷阱状态进行了系统探索，并使用 0% Al 的先前结果（即 β-Ga₂O₃）作为对照比较。

        采用深能级光谱 (DLOS) 和深能级瞬态 (DLTS) 对通过 MOCVD 生长的 Si 掺杂 β-(Al_0.10Ga_0.90)₂O₃ 外延层中的深能级缺陷特性进行了表征。结果表明，主要存在三个缺陷能级，分别为 E_C−0.81 eV、E_C−1.6 eV 和 E_C−4.7 eV，同时在 E_C−0.37 eV 处还检测到一个较弱的能级。光照 C–V 测量显示，陷阱浓度随 Al 含量增加而上升，并与测得的净掺杂量呈一致趋势，表明这些深能级导致了来自 Si 施主的显著载流子补偿。与此前 MOCVD 生长的 β-Ga₂O₃ 外延层相比，在相同 MOCVD 系统中生长的 β-(Al_0.10Ga_0.90)₂O₃ 合金的总陷阱浓度高出 10–100 倍。通过对一组 Al 含量 x=3%–10% 的 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 样品的研究，进一步探讨了 Al 合金化在缺陷形成中的作用。所有样品的深能级谱均表现出一致的四个缺陷能级。不同组分的比较表明，随着 Al 含量和带隙的增加，陷阱激活能和陷阱浓度均单调上升。结合带隙和导带偏移能的变化，这些缺陷态的趋势表明它们可能遵循或部分遵循真空参考结合能模型，该模型有助于预测在更高 Al 含量合金中的陷阱位置，这类合金在调制掺杂场效应晶体管和紫外探测器中具有应用潜力。

图1 肖特基二极管截面示意图，展示了用于光学测量的薄 Ni 金属、外延 β-(Al_xGa_1−x)₂O₃ 层、台面隔离以及欧姆金属电极。

图2 Ni/β-(Al_0.10Ga_0.90)₂O₃ 肖特基二极管的电学测量，用于表征和验证器件性能。(a) 室温暗态 J–V 特性；(b) C–V 特性；(c) 典型器件的掺杂分布。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0278718