类型a：学术研究报告

本研究由V. Meyers、E. Rocco、T. J. Anderson等来自多个机构的学者合作完成，包括SUNY Polytechnic Institute、Naval Research Laboratory、Army Research Laboratory以及Gyrotron Technology Inc.。该研究于2020年8月24日发表在*Journal of Applied Physics*（J. Appl. Phys. 128, 085701），标题为“p-type conductivity and damage recovery in implanted GaN annealed by rapid gyrotron microwave annealing”。

学术背景

III族氮化物（III-nitrides）材料因其可调带隙、高临界电场及高电子迁移率，在功率电子器件领域具有重要潜力。然而，实现高性能器件需要解决选择性p型掺杂的难题。镁（Mg）离子注入是一种潜在的解决方案，但注入过程会引入大量缺陷，导致材料半绝缘化（semi-insulating）。传统退火方法需在高温（>1200°C）下进行，但GaN在高温下易分解，因此需要开发非平衡退火技术以激活Mg受主并减少补偿缺陷。本研究旨在通过回旋管微波退火（gyrotron microwave annealing）技术实现Mg注入GaN的p型导电性，并研究退火过程中缺陷的演变机制。

研究流程

1. 样品制备

研究对比了两类样品：
- 原位掺杂样品（in situ doped）：通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）在n+-GaN衬底上生长100 nm Mg掺杂GaN层（Mg浓度1×10²⁰ cm⁻³）和700 nm非故意掺杂（unintentionally doped, UID）GaN层。
- 注入掺杂样品（implanted）：在5.5 μm UID GaN上注入Mg离子（能量100/180/270 keV，剂量9.32×10¹³–3.25×10¹⁴ cm⁻²），形成250 nm深的盒式分布（box profile），浓度为1×10¹⁹ cm⁻³。注入后样品覆盖200 nm SiO₂保护层，退火前去除SiO₂并沉积75 nm低温MOCVD AlN和1000 nm溅射AlN作为保护帽（protective cap）。

2. 退火处理

• 传统快速热退火（RTA）：样品A在900°C、0.1 MPa N₂下退火90秒。
  
• 回旋管微波退火：样品B-E在3 MPa N₂下进行10次脉冲退火（每脉冲5秒，总时间<60秒），目标温度分别为1200°C（B）、1250°C（C）、1330°C（D）、1350°C（E）。
  

3. 表征方法

• 光致发光光谱（Photoluminescence, PL）：19 K低温下测试，分析UVL（3.27 eV，与MgGa相关）和GL2（2.37 eV，与氮空位VN相关）峰的强度比，评估缺陷补偿效应。
  
• 拉曼光谱（Raman spectroscopy）：通过E₂模（567 cm⁻¹）和A₁(LO)模（733–760 cm⁻¹）分析晶格应变和载流子浓度。
  
• 电学测试：
  
  • 传输线测量（Transmission Line Measurement, TLM）：计算薄层电阻（Rsheet）和接触电阻率（ρc）。
    
  • 垂直二极管I-V特性：评估p-n结行为，计算空穴浓度。
    

主要结果

1. PL光谱分析

   • 原位掺杂样品（A、B）的UVL峰（MgGa相关）占主导，表明Mg成功激活。
     
   • 注入样品（C-E）的GL2峰（VN相关）强度随退火温度升高而降低，UVL/GL2比值从1250°C的0.3提升至1350°C的1.6，表明高温退火减少了VN补偿缺陷。
     
   • 未退火的注入样品PL信号极弱，说明注入导致严重非辐射复合中心（non-radiative centers, NRCs）。
     

2. 拉曼光谱分析

   • 退火后A₁(LO)模出现734 cm⁻¹新峰，表明p型区域形成。
     
   • E₂模的半高宽（FWHM）减小，显示退火后晶体质量改善。
     

3. 电学性能

   • 1350°C退火的注入样品（E）表现出p型导电性：薄层电阻1083 kΩ/□，接触电阻率2.53 Ω·cm，空穴浓度1.23×10¹⁵ cm⁻³。
     
   • 1250°C退火的样品（C）仍为高阻态，表明温度不足以减少补偿缺陷。
     

结论与意义

本研究通过回旋管微波退火技术，在1350°C短脉冲退火下成功激活了Mg注入GaN的p型导电性，并证实高温退火可显著减少VN缺陷。其科学价值在于：
1. 揭示了Mg注入GaN中缺陷补偿的机制，提出UVL/GL2比值可作为p型导电性的定性指标。
2. 开发了一种非平衡退火方法，结合AlN保护帽和3 MPa N₂过压，避免了GaN高温分解。
3. 为功率电子器件的选择性区域掺杂提供了新思路。

研究亮点

1. 创新退火技术：回旋管微波退火实现了快速升温（200°C/s）和局部加热，优于传统RTA。
   
2. 缺陷调控机制：通过PL和拉曼光谱明确了VN缺陷与Mg激活的竞争关系。
   
3. 实用化潜力：该方法可扩展至生产级晶圆退火，推动GaN功率器件的制造工艺发展。
   

其他有价值内容

研究还对比了原位掺杂与注入掺杂的缺陷来源，证实VN主要来源于注入过程而非退火降解，为后续优化注入参数提供了依据。此外，拉曼光谱的多峰拟合方法为分析p-n异质结构提供了新工具。