本研究由东京工业大学的Takayoshi Oshima领衔，联合Tamura Corporation、Koha Co., Ltd.、京都大学等机构的多位学者共同完成，成果于2013年发表在《Japanese Journal of Applied Physics》第52卷第5期（文章编号051101）。研究聚焦于通过热氧化法在半导体β-Ga₂O₃单晶表面形成半绝缘层（semi-insulating layers, SIL）的机理与控制。

学术背景

β-Ga₂O₃作为一种超宽禁带半导体（禁带宽度4.7–5.0 eV），因其高热稳定性（熔点1820°C）和可调控的电学性能（载流子浓度可达10¹⁹ cm⁻³），在高功率电子器件和深紫外光电器件中具有重要潜力。然而，器件制造需要精确控制载流子分布，而此前对热氧化形成SIL的机制尚不明确。本研究旨在阐明热氧化过程中氧扩散的动力学机制，为器件设计提供理论基础。

研究方法与流程

研究包含两个核心实验流程：
流程A（验证氧扩散机制）：
1. 样品制备：采用浮区法（FZ）生长未掺杂β-Ga₂O₃（010）单晶，经机械化学抛光和N₂退火处理，获得载流子浓度2–4×10¹⁷ cm⁻³的样品。
2. 电极与掩膜：通过真空蒸镀制备Au肖特基接触电极（直径200 μm和1 mm），利用旋涂玻璃（SiO₂）覆盖部分表面作为扩散阻挡层。
3. 热氧化处理：在1100°C空气环境中退火4小时，通过快速升降温控制热历程。
4. 电学表征：采用双肖特基结构的电容-电压（C-V）测量，分析SIL厚度变化。

流程B（动力学参数提取）：
在不同温度（1000–1150°C）和时间（4–16小时）下退火样品，通过C-V曲线计算SIL厚度（d），建立d与退火条件的关系模型。

创新方法：
- 双肖特基C-V分析法：通过小面积/大面积电极组合抑制直流电流，首次实现SIL厚度的直接测量（公式：d ≈ εᵣε₀Sₛ/C）。
- 扩散阻挡层设计：通过SiO₂掩膜实验证实氧需从气相经表面反应进入晶体。

主要结果

1. 氧扩散主导机制：

   • 无SiO₂掩膜区域的SIL厚度（420–470 nm）显著大于掩膜区（260–290 nm），证明氧通过表面吸附和体扩散补偿氧空位相关施主（图4数据）。
     
   • 硅杂质（Si~10¹⁷ cm⁻³）在SIL中完全钝化，支持氧空位-Si复合施主模型。
     

2. 扩散动力学参数：

   • SIL厚度与√t呈线性关系（图6b），符合Fick扩散定律。
     
   • 氧扩散激活能（Eₐ）为4.1 eV（图5b），接近SrTiO₃（1.2 eV）和TiO₂（2.6 eV），但高于ZnO（5.1–5.9 eV），表明β-Ga₂O₃中氧扩散势垒较高。
     
   • 建立经验公式：d ≈ (6–8)×10⁹ exp(−4.1 eV/2kT) √t （单位：nm, K, h）。
     

结论与价值

1. 科学意义：首次定量揭示了β-Ga₂O₃热氧化过程中氧扩散的动力学规律，为能带工程和器件设计提供理论依据。
   
2. 应用价值：提出的SIL厚度控制模型（公式7）可指导高耐压器件（如肖特基二极管、MESFET）的界面优化，已实现>100 V耐压（文献12,16）。
   

研究亮点

1. 方法创新：开发双肖特基C-V法解决传统MIS结构无法测量SIL的难题。
   
2. 机制突破：证实氧空位补偿是SIL形成的主因，排除表面态等其他假说。
   
3. 跨学科参考：氧扩散数据对电阻开关存储器（RRAM）材料设计具有借鉴意义。
   

其他发现

• 热稳定性：1100°C退火后仍保持晶体完整性，凸显β-Ga₂O₃的高温器件潜力。
  
• 技术兼容性：与现有半导体工艺（如旋涂玻璃、光刻）兼容，利于产业化。
  

本研究通过严密的实验设计和理论建模，为β-Ga₂O₃基功率电子器件的发展奠定了关键技术基础。