β-Ga₂O₃中硅扩散的活化能研究：介导缺陷电荷态与相变的作用

作者及发表信息
本研究由Alexander Azarov（挪威奥斯陆大学物理系）、Vishnukanthan Venkatachalapathy（挪威奥斯陆大学与俄罗斯国家核研究大学联合团队）、Lasse Vines等合作完成，发表于*Applied Physics Letters*期刊2021年11月刊（Volume 119, Issue 18），论文标题为《Activation energy of silicon diffusion in gallium oxide: roles of the mediating defects charge states and phase modification》。

学术背景
β-相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为超宽禁带半导体，在功率电子器件和深紫外光电器件中具有重要应用潜力。硅（Si）是其高效的n型掺杂剂，但此前关于Si在β-Ga₂O₃中扩散的活化能数据缺失，且扩散机制尚不明确。本研究旨在填补这一空白，通过实验测定Si扩散的活化能，并揭示介导缺陷的电荷态及相变对扩散行为的影响。

研究流程
1. 样品制备与离子注入
- 研究对象：Sn掺杂的(-201)取向β-Ga₂O₃单晶（Tamura公司提供），背景Sn浓度约7×10¹⁷ cm⁻³。
- 实验组设计：
- 对照组：注入1 MeV ²⁸Si⁺离子（剂量1×10¹⁵ cm⁻²）。
- 实验组：预注入400 keV ⁵⁸Ni⁺离子（剂量2×10¹⁴ cm⁻²）形成表面相变层后，再注入Si离子。
- 注入条件：室温、7°离轴角度以避免沟道效应。

1. 退火处理

   • 温度范围：900–1200°C（空气氛围，30分钟等时退火）。
     
   • 目的：激活Si扩散并观察相变层的影响。
     

2. 表征技术

   • 二次离子质谱（SIMS）：测量Si和Ni的深度分布，使用Cameca IMS 7f微分析仪，10 keV O₂⁺初级束校准。
     
   • X射线衍射（XRD）：Bruker D8 Discover衍射仪分析相变（Cu Kα₁辐射），确认Ni注入诱导的β→κ相变。
     

3. 扩散模型与数据分析

   • 采用Fair扩散模型，结合浓度依赖性扩散系数（D_eff），引入中性（V_Ga⁰）和单负电（V_Ga¹⁻）镓空位作为介导缺陷。
     
   • 数值模拟工具：FlexPDE软件求解Fick第二定律，拟合实验数据。
     

主要结果
1. Si扩散动力学
- 在纯β-Ga₂O₃中，Si扩散在≥1000°C时显著，表现为浓度依赖性双机制：
- 中性V_Ga⁰介导：活化能3.26±0.3 eV，指前因子0.1 cm²/s。
- 单负电V_Ga¹⁻介导：活化能5.46±0.4 eV，指前因子1.6×10² cm²/s。
- 扩散剖面显示Si在投影范围（Rp≈800 nm）堆积，高温（1200°C）后向体相扩散。

1. 相变层的抑制作用

   • Ni预注入形成的κ相表面层（厚度≈300 nm）在≤1000°C时显著抑制Si扩散，归因于κ相捕获V_Ga。
     
   • XRD证实κ相在退火中逐渐恢复为β相，导致高温（≥1050°C）扩散行为与纯β-Ga₂O₃趋同。
     

2. 缺陷形成能与迁移能

   • 结合文献中V_Ga迁移能（0.8 eV），推得V_Ga⁰和V_Ga¹⁻的形成能上限分别为2.4 eV和4.6 eV，与氧富集条件下理论计算一致。
     

结论与价值
1. 科学意义
- 首次系统量化Si在β-Ga₂O₃中的扩散活化能，明确V_Ga电荷态的关键作用。
- 揭示了氧氛围对扩散的促进作用（通过提高V_Ga浓度），与n型掺杂的器件工艺兼容性相关。

1. 应用价值
   
   • 为β-Ga₂O₃器件设计提供扩散控制策略：
     
     • 低温工艺（<1000°C）可利用κ相层抑制掺杂剂扩散。
       
     • 高温工艺需考虑V_Ga¹⁻主导的高能垒扩散机制。
       

研究亮点
1. 方法创新
- 结合离子注入诱导相变与扩散动力学模拟，提出“缺陷-相变协同调控”新思路。
2. 重要发现
- 发现Si扩散的双机制特性，为理解其他n型掺杂剂（如Ge、Sn）行为提供参考。
3. 技术通用性
- 建立的Fair模型框架可扩展至其他氧化物半导体的扩散研究。

补充发现
- 预注入Ni的样品中，Ni自身扩散极低（<1100°C几乎无迁移），表明κ相层对重离子的稳定性，可能用于器件隔离层设计。

（注：全文术语首次出现时标注英文，如“κ相（kappa-phase）”；模型名称如“Fair扩散模型”保留原文。）