《Materials Today Physics》期刊于2023年6月发表的综述论文《On the nature of majority and minority traps in β-Ga₂O₃: A review》由来自韩国世宗大学、阿尔及利亚比斯克拉大学和英国诺丁汉大学的研究团队合作完成。该论文系统回顾了超宽禁带半导体β相氧化镓（β-Ga₂O₃）中多数载流子陷阱和少数载流子陷阱的本征特性及其表征技术，为功率电子器件开发提供了重要理论依据。

研究背景与意义

β-Ga₂O₃因其超宽禁带（>4.8 eV）、高击穿电场（8 MV/cm）和可控掺杂特性，成为高压功率器件和深紫外光电器件的理想材料。然而，其性能受限于晶体中点缺陷形成的深能级陷阱（deep level traps）。这些陷阱分为两类：靠近导带的多数载流子陷阱（电子陷阱）和靠近价带的少数载流子陷阱（空穴陷阱），它们通过非辐射复合降低载流子迁移率，影响器件可靠性。本文首次全面综述了不同陷阱的物理起源、形成机制及表征方法，填补了该领域系统性研究的空白。

主要观点与论据

1. β-Ga₂O₃的晶体结构与缺陷分类

β-Ga₂O₃为单斜晶系（空间群C2/m），具有两种不等效Ga位点（Ga(I)和Ga(II)）和三种氧位点（O(I)-O(III)）。点缺陷分为两类：
- 本征缺陷：如氧空位（VO）和镓空位（VGa）。密度泛函理论（DFT）计算表明，VO在富氧条件下形成能为2.7-3.9 eV，产生深施主能级（~1 eV），而非传统认为的浅能级；VGa则形成受主能级（~0.5 eV以上价带顶）。
- 外源缺陷：如Si、Fe、Ti等掺杂原子。Si倾向于取代Ga(I)位点，形成浅施主能级（~0.04 eV）；Fe³⁺占据Ga(II)位点时形成深能级（Ec-0.79 eV），可补偿n型导电性。

2. 多数载流子陷阱的起源与表征

通过深能级瞬态谱（DLTS）等技术，研究者识别出四种主要电子陷阱：
- E1（Ec-0.56 eV）：与SiGa-H复合体或Cr³⁺杂质相关，质子辐照实验证明其浓度不受空位增加影响。
- E2*（Ec-0.75 eV）：源于氧空位或GaO反位缺陷，氩等离子体处理后浓度显著升高（5×10¹³→8.9×10¹⁵ cm⁻³）。
- E2（Ec-0.79 eV）：与Fe³⁺掺杂线性相关（图14），二次离子质谱（SIMS）证实其浓度与Fe含量成正比，可用于制备半绝缘衬底。
- E3（Ec-1.05 eV）：存在争议，可能源于Ti掺杂（SIMS显示Ti浓度与E3浓度正相关）或VGa复合体。

3. 少数载流子陷阱的检测挑战与光学表征

由于β-Ga₂O₃空穴迁移率极低（价带顶平坦），传统DLTS难以检测少数载流子陷阱。需采用：
- 光学DLTS（ODLTS）：在430 K下用365 nm LED激发，测得H3陷阱（Ev+1.3 eV），与VGa相关。
- 表面光电压谱（SPV）：瞬态模式检测到Ev+0.53 eV的H2陷阱，对应自陷空穴态（STH），解释了p型导电不稳定性。
- 异质结增强法：Wang等通过p⁺-NiO/β-Ga₂O₃异质结的隧穿注入，首次用DLTS测得H1陷阱（Ev+0.14 eV），其浓度随质子辐照剂量增加，证实与VO相关。

4. 缺陷工程的应用价值

• Fe掺杂陷阱（E2）：通过形成半绝缘层，可提升MOSFET的击穿电压（如Ueda等人工作）。
  
• Ti掺杂陷阱（E3）：低形成能（0.21 eV，富氧条件）使其成为可调谐激光器的潜在材料（Mu等人成果）。
  
• VGa相关深能级（2-3 eV）：在阻变存储器中通过陷阱辅助隧穿机制调控导电细丝。
  

论文的创新性与价值

本综述首次将多种表征技术（DLTS、ODLTS、DLOS、SPV等）与第一性原理计算结合，建立了β-Ga₂O₃中缺陷能级的完整图谱（图22），明确了不同陷阱的原子级起源。其科学价值体现在：
1. 理论层面：修正了VO作为浅施主的传统观点，提出Fe³⁺/Ti⁴⁺等过渡金属杂质的补偿机制。
2. 技术层面：提出针对超宽禁带材料的混合表征策略，如异质结增强DLTS方法。
3. 应用指导：为β-Ga₂O₃功率器件的缺陷调控提供设计准则，例如通过Fe掺杂实现载流子寿命控制。

该研究被引用的实验数据覆盖20余篇关键文献（如Irmscher的DLTS基准测试、Varley的DFT计算等），兼具深度与广度，成为β-Ga₂O₃缺陷研究的里程碑式综述。