浙江大學(xué)聯(lián)合浙大科創(chuàng)中心楊德仁院士的研究團(tuán)隊(duì)：鑄造法 β-Ga?O? (100) 面缺陷的電子特性：現(xiàn)象與機(jī)理

由鎵仁半導(dǎo)體聯(lián)合浙大科創(chuàng)中心楊德仁院士的研究團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 Applied Surface Science 發(fā)布了一篇名為 Electronic properties of defects on the (100) casting β-Ga₂O₃: Phenomena and mechanisms（鑄造法 β-Ga₂O₃ (100) 面缺陷的電子特性：現(xiàn)象與機(jī)理）的文章。

一、 項(xiàng)目支持

本研究得到以下項(xiàng)目的支持：中國(guó)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2024YFE0205300）、浙江省“尖兵”“領(lǐng)雁”研發(fā)攻關(guān)計(jì)劃（2023C01193）、國(guó)家自然科學(xué)基金（22205203）、浙江省自然科學(xué)基金（LZ25E070001）、國(guó)家高層次青年人才支持計(jì)劃，以及杭州市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)引進(jìn)計(jì)劃（TD2022012）。

二、 背景

本研究在（100）方向鑄造生長(zhǎng)的 β-Ga₂O₃ 中，通過使用 30 wt% KOH 腐蝕液揭示了三類缺陷。利用原子力顯微鏡（AFM）和開爾文探針力顯微鏡（KPFM）對(duì)這些缺陷的三維形貌及電子特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征。結(jié)果顯示，空洞具有最大的局部勢(shì)能差，其次為位錯(cuò)缺陷和應(yīng)變相關(guān)缺陷。此外，對(duì)肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）進(jìn)行發(fā)射顯微鏡（EMMI）成像表明，反向漏電流與晶體缺陷類型密切相關(guān)：空洞在反向偏置下是主要的漏電通道，其次為位錯(cuò)缺陷和應(yīng)變相關(guān)缺陷，這與 KPFM 結(jié)果一致。值得注意的是，本研究首次證明應(yīng)變相關(guān)缺陷會(huì)降低 SBD 的擊穿性能，凸顯了在晶體生長(zhǎng)及晶圓加工過程中缺陷控制的重要性。最后，通過結(jié)合不同缺陷的局部勢(shì)能差和帶結(jié)構(gòu)中的隧穿電子模型，對(duì)缺陷引起的漏電機(jī)制進(jìn)行了合理解釋。本研究加深了對(duì) β-Ga₂O₃ 襯底中缺陷誘導(dǎo)電子行為的理解，明確了其對(duì)電學(xué)性能的影響，并為優(yōu)化晶體生長(zhǎng)及提升功率器件性能提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。

三、 主要內(nèi)容

在本研究中，利用 30 wt% KOH 腐蝕劑揭示了鑄造生長(zhǎng) (100) β-Ga₂O₃ 上的三類缺陷。通過原子力顯微鏡 (AFM) 和開爾文探針力顯微鏡 (KPFM) 對(duì)這些缺陷的三維形貌和電子特性進(jìn)行了系統(tǒng)表征。結(jié)果表明，空洞具有最大的局域電勢(shì)差，其次是位錯(cuò)和應(yīng)變相關(guān)缺陷。進(jìn)一步地，肖特基二極管 (SBD) 的發(fā)光顯微成像 (EMMI) 證實(shí)了反向漏電流與晶體缺陷類型直接相關(guān)：在反偏條件下，空洞是主要的漏電通道，其次為位錯(cuò)和應(yīng)變相關(guān)缺陷，這與 KPFM 的結(jié)果一致。值得注意的是，本研究首次證明應(yīng)變相關(guān)缺陷會(huì)降低 SBD 的擊穿性能，凸顯了晶體生長(zhǎng)和晶圓加工過程中缺陷控制的重要性。最后，基于不同缺陷的局域電勢(shì)差，結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)中的隧穿電子模型，對(duì)缺陷處的漏電機(jī)理進(jìn)行了合理解釋。本研究加深了對(duì) β-Ga₂O₃ 襯底中缺陷誘導(dǎo)電子行為的理解，闡明了其對(duì)電學(xué)特性的影響，并為優(yōu)化晶體生長(zhǎng)和提升功率器件性能提供了關(guān)鍵指導(dǎo)。

四、 創(chuàng)新點(diǎn)

● 使用 KPFM 分析了 (100) β-Ga₂O₃ 上的三類缺陷，并通過在調(diào)制偏壓下的 EMMI 進(jìn)行了驗(yàn)證。

● 首次報(bào)告應(yīng)變相關(guān)缺陷會(huì)降低擊穿電壓，凸顯缺陷控制的關(guān)鍵性。

● 空洞被確定為主要漏電通道，其次為位錯(cuò)和應(yīng)變相關(guān)缺陷。

● 結(jié)合缺陷的局域電勢(shì)差與隧穿電子模型，對(duì)缺陷漏電機(jī)理進(jìn)行了闡釋。

五、 結(jié)論

本研究利用 AFM 和 KPFM 系統(tǒng)地表征了由 30 wt% KOH 溶液蝕刻的 (100) β-Ga₂O₃ 上三類蝕刻坑的形貌與電學(xué)特性。首次發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變相關(guān)缺陷表現(xiàn)出電活性，補(bǔ)充了此前對(duì)空洞和位錯(cuò)相關(guān)缺陷電學(xué)行為的理解。結(jié)果顯示，空洞由于存在施主態(tài)并在蝕刻坑核心積累大量電子，產(chǎn)生最大的局域電勢(shì)差。此外，位錯(cuò)相關(guān)蝕刻坑核心的施主態(tài)引入的局域電勢(shì)差約為應(yīng)變相關(guān)缺陷的兩倍。進(jìn)一步地，EMMI 技術(shù)用于驗(yàn)證缺陷對(duì) SBD 擊穿的影響，而傳感器驗(yàn)證超出本研究范圍，將在未來工作中進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，三類缺陷均可導(dǎo)致 SBD 提前擊穿，其中空洞顯著降低 SBD 的擊穿電壓，通過 EMMI 可直接觀察到漏電路徑。在無空洞器件中，漏電流顯著減小。在此情況下，位錯(cuò)和應(yīng)變相關(guān)缺陷隨著反向偏壓增加依次導(dǎo)致漏電，與 KPFM 結(jié)果一致。三類缺陷對(duì) SBD 擊穿的影響可通過缺陷局域電勢(shì)差結(jié)合能帶結(jié)構(gòu)中的隧穿電子機(jī)制得到合理解釋。位錯(cuò)和應(yīng)變?nèi)毕萃ㄟ^施主態(tài)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)，引起能帶彎曲并增強(qiáng)隧穿概率；相比之下，空洞核心的正負(fù)電勢(shì)差結(jié)合電場(chǎng)強(qiáng)度集中產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，即電子積累漏電機(jī)制，解釋了 SBD 在空洞位置易發(fā)生擊穿的現(xiàn)象。這些結(jié)果確定了缺陷對(duì)器件擊穿影響的順序：空洞 > 位錯(cuò) > 應(yīng)變，并強(qiáng)調(diào)在晶體生長(zhǎng)及后續(xù)晶圓加工過程中需控制這三類缺陷。本工作加深了對(duì) (100) β-Ga₂O₃ 中缺陷驅(qū)動(dòng)電子傳輸?shù)睦斫?，為其在超高功率器件中的?yīng)用提供了直接支持。

圖 1. 在 110℃ 條件下，用 30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的 KOH 溶液對(duì)（100）面 β-Ga₂O₃ 襯底蝕刻 1.5 小時(shí)后得到的三種類型蝕坑的光學(xué)顯微鏡圖像。 

圖 2. 具有代表性的（a-b）應(yīng)變相關(guān)蝕坑、（c-d）位錯(cuò)相關(guān)蝕坑和（e-f）空洞相關(guān)蝕坑的表面形貌及深度剖面圖，插圖是示意圖。

圖 3. 包含蝕坑的表面電位圖以及蝕坑表面電位的線輪廓圖，分別為（a-b）應(yīng)變相關(guān)蝕坑、（c-d）位錯(cuò)相關(guān)蝕坑和（e-f）空洞相關(guān)蝕坑。

圖 4. UID β-Ga₂O₃ 中（a）應(yīng)變相關(guān)和（b）位錯(cuò)相關(guān)蝕坑的能帶圖。

圖 5. （a）SBD #0101 的 J-V 特性曲線和（b）OM 圖像。（c）至（f）SBD #0101 在反向偏壓 0 至 80 V 下的發(fā)射顯微鏡圖像。

圖 6. （a）SBD #0402 的 J-V 特性曲線和（b）OM 圖像。（c）至（f）SBD #0402 在反向偏壓 0 至 105 V 下的發(fā)射顯微鏡圖像。

圖 7. 基于肖特基接觸區(qū)附近能帶結(jié)構(gòu)的可能機(jī)制示意圖，分別展示了（橙色實(shí)線）和未施加（黑色虛線）反向偏壓時(shí)（a）無缺陷、（b）與應(yīng)變相關(guān)、（c）與位錯(cuò)相關(guān)以及（d）與空洞相關(guān)的位點(diǎn)情況。

DOI：

doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.164486

本文轉(zhuǎn)發(fā)自《亞洲氧化鎵聯(lián)盟》訂閱號(hào)