全β-Ga₂O₃薄膜同质p-n结的突破性研究

一、研究团队与发表信息
本研究由复旦大学信息科学与技术学院的翟泓超、刘晨星、吴征远、马聪聪等团队主导，联合厦门大学康俊勇教授及复旦大学褚君浩院士团队合作完成，成果发表于《Science China Materials》2024年3月刊（Volume 67, Issue 3）。论文标题为《Full β-Ga₂O₃ films-based p-n homojunction》，DOI编号10.1007/s40843-023-2741-4。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于超宽禁带半导体（Ultrawide Bandgap Semiconductor, UWBG）材料与器件领域，聚焦于氧化镓（β-Ga₂O₃）的同质p-n结制备。
研究动机：β-Ga₂O₃因禁带宽度达4.85 eV和高巴利加优值（Baliga’s Figure of Merit, 3444），是高压功率器件的理想材料。然而，p型β-Ga₂O₃的制备长期受限于高受主电离能、空穴陷阱效应等问题，导致同质p-n结难以实现，制约了全氧化镓双极型器件的发展。
研究目标：通过创新性掺杂技术与薄膜生长方法，实现n型Sn掺杂β-Ga₂O₃与p型N掺杂β-Ga₂O₃的高质量结合，并验证其电学性能。

三、研究流程与方法
1. 材料生长与结构设计
- p型层制备：采用多步相变技术（Phase-Transition Technique），在1150°C下热氧化未掺杂GaN薄膜，通过控制氧分压和Ar气冲洗，实现GaN向β-Ga₂O₃的相变及原位N掺杂，形成1.2 μm厚p型N掺杂β-Ga₂O₃薄膜。
- n型层制备：通过射频磁控溅射（RFMS）在p型层上沉积1 μm厚Sn掺杂β-Ga₂O₃薄膜，并在900°C氧气氛中退火以结晶化。
- 创新方法：相变技术中引入氮（N）作为受主杂质，通过DFT计算证实N替代O位（No(iii)）的形成能低至0.36 eV，为p型导电提供理论依据。

1. 器件制备

   • 采用紫外光刻（UV Lithography）定义电极图案，电子束蒸发（EBE）沉积Ti/Au电极，并通过剥离工艺完成二极管制备。
     
   • 对比制备了p型β-Ga₂O₃顶栅场效应晶体管（FET）和n型背栅FET，以验证材料导电类型。

2. 表征与测试

   • 结构分析：高分辨透射电镜（HRTEM）和X射线衍射（XRD）证实了β-Ga₂O₃的单一相性。
     
   • 电学性能：霍尔效应测量显示p型层空穴浓度1.50×10¹⁵ cm⁻³，迁移率7.99 cm²/V·s；n型层电子浓度1.69×10¹⁶ cm⁻³，迁移率38.09 cm²/V·s。
     
   • 器件测试：半导体参数分析仪（FS-Pro）测量电流-电压（I-V）特性，二极管在40 V下实现4.32×10³ A/cm²的高电流密度和9.18 mΩ·cm²的低导通电阻。

四、主要研究结果
1. 材料特性
- p型N掺杂β-Ga₂O₃的价带顶（VBM）位于0.79 eV，费米能级（Ef）距VBM仅0.243 eV，证实其p型导电性。
- SIMS元素分布显示Sn和N的互扩散形成200 nm过渡层，优化了界面质量。

1. 器件性能

   • 整流比达4×10⁴，内建电势（Vbi）为4.41 V，耗尽层宽度0.8 μm，理想因子1.78。
     
   • 交流测试中无过冲现象，且6个月后性能无衰减，表明长期稳定性。
     
   • 反向击穿电压超过200 V，优于多数Ga₂O₃异质结二极管。

2. 理论模拟

   • Silvaco TCAD仿真验证了单边突变p-n结（One-Sided Abrupt Junction）的设计合理性，与实验数据吻合。

五、研究意义与价值
科学价值：首次实现全β-Ga₂O₃同质p-n结，解决了p型掺杂的核心难题，为超宽禁带半导体的双极型器件设计提供范式。
应用价值：高压功率器件（如整流器、逆变器）的效率提升，潜在应用于新能源电网、电动汽车等领域。
技术突破：相变生长技术与可控掺杂方法的结合，为其他宽禁带半导体的p型掺杂提供新思路。

六、研究亮点
1. 创新掺杂机制：通过N掺杂实现p型β-Ga₂O₃，受主能级低至0.24 eV。
2. 界面工程：Sn/N互扩散形成渐变界面，降低缺陷密度。
3. 性能标杆：整流比和导通电阻达到国际领先水平，为Ga₂O₃功率器件设立新基准。

七、其他价值
- 该研究为β-Ga₂O₃光电器件（如深紫外探测器）的开发奠定基础。
- 相变技术可扩展至其他氧化物半导体（如ZnO、In₂O₃）的p型掺杂研究。

（注：全文共计约1500字，涵盖研究全貌及细节。）