【氧化镓】β-Ga2O3肖特基势垒二极管的缺陷识别

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本文是一篇关于β-Ga2O3肖特基势垒二极管在电子辐射和退火调节下缺陷识别的研究。文章首先介绍了β-Ga2O3作为一种高性能器件材料的重要性，然后详细描述了实验方法，包括样品制备、电子辐照、热退火处理以及电学特性和深能级瞬态谱（DLTS）测量。接着，文章展示了实验结果，并对观察到的现象进行了深入讨论。最后，文章总结了研究的主要发现和意义。

研究简介

β-Ga2O3是一种具有超宽带隙、高击穿场强和高Baliga's figure of merit（BFOM）的材料，因此在高性能器件中具有广泛的应用前景。然而，β-Ga2O3中的深能级缺陷态会导致载流子捕获和复合，影响器件的稳定性和可靠性。因此，识别和表征这些缺陷对于β-Ga2O3基器件的可靠应用至关重要。本文通过电子辐照和热退火处理，研究了这些影响，并利用DLTS技术对Ni/Au β-Ga2O3肖特基势垒二极管中的多数和少数载流子陷阱进行了表征。

实验方法设置

实验中使用的β-Ga2O3单晶衬底通过边缘定义薄膜喂养生长（EFG）方法生长，并通过水化物气相外延（HVPE）在衬底上生长了Si掺杂的外延层。通过激光切割、超声清洗和电子束蒸发等步骤完成了二极管的制造。电子辐照在黑龙江原子能研究所的电子束加速器设施中进行，辐照后的样品在真空和黑暗中进行了一系列的连续热退火处理。使用Keithley 4200半导体参数分析仪在25℃的空气中记录了正向电流密度-电压（J-V）和电容-电压（C-V）特性。DLTS测量在80-360K的温度范围内进行。

实验结果与讨论

实验结果表明，电子辐照对二极管的电学特性有显著影响。通过DLTS测量，观察到了三个陷阱态：H1位于EV+0.402 eV，E1位于EC-0.626 eV，E2位于EC-0.755 eV，其中电子陷阱E2是主要的。这些陷阱态的存在解释了测试样品电学性质的不稳定性。通过第一性原理计算，推测H1陷阱与VGaI2VOⅡ(+5/+3)或VGaⅡ-2VOⅡ(+3/+1)有关，E1陷阱与VGaI-VOI(1/-3)或Oic(-1/-2)有关，E2陷阱与Oid(0/-2)或OGaⅡ(1/-3)有关。此外，E2陷阱也与外源缺陷FeGa有关。

热退火处理对陷阱的浓度有显著影响。随着退火温度的升高，H1和E2陷阱的浓度发生了显著变化，表明退火过程可能有效地恢复材料和器件的质量。特别是，E2陷阱的浓度在退火过程中的降低与器件电学性质的恢复一致，表明E2陷阱可能在器件退化机制中起重要作用。

结论

本文通过电子辐照和热退火处理对Ni/Au β-Ga2O3肖特基势垒二极管进行了系统研究，揭示了辐照诱导缺陷的确切物理起源及其退火衍生过程。实验和理论计算相结合，确定了辐射诱导缺陷的结构，并揭示了辐射损伤的内在物理机制。为了更全面地将识别出的具体深缺陷与器件性能退化联系起来，未来需要对β-Ga2O3中的整个带隙缺陷进行更多的研究。

图1展示了垂直Ni/Au肖特基势垒二极管在β-Ga2O3外延层上的示意图，以及电子辐照和等温热退火处理后的电流密度-电压（J-V）和1/C2-V特性曲线。
(a)部分提供了二极管结构的示意图，包括Ni/Au肖特基接触、Si掺杂的外延层、Sn掺杂的β-Ga2O3衬底，以及Ti/Au欧姆接触。(b)部分显示了不同电子辐照剂量下的半对数J-V特性曲线，可以看出辐照对二极管正向电流特性有显著影响。(c)部分展示了1/C2-V特性曲线，这些曲线用于提取内置电势Vbi和有效载流子浓度ND。