本研究的主要作者是来自英国曼彻斯特大学光子科学研究所和电气与电子工程系的Christopher A. Dawe，以及曼彻斯特大学与布里斯托大学的研究团队，包括Douglas M. Murray Lendering、Vladimir P. Markevich、Janet Jacobs、Ian D. Hawkins、Matthew P. Halsall、Anthony R. Peaker、Arpit Nandi和Martin Kuball。该研究成果以研究文章的形式发表于2026年3月10日的《应用物理学杂志》（*J. Appl. Phys.*）第139卷，文章标题为“论β-Ga₂O₃外延层中深能级缺陷的性质：等时快速热退火的影响”。

学术背景 本研究的科学领域聚焦于超宽禁带半导体材料与器件物理，具体研究对象是单斜晶系的氧化镓（β-Ga₂O₃）。β-Ga₂O₃因其约4.8 eV的超宽禁带、高的理论击穿电场和卓越的巴利加优值，在高功率电子器件和深紫外光电器件领域展现出巨大潜力。通过掺杂硅（Si）等浅施主，可以精确控制其n型导电性。然而，要实现高性能的单极性β-Ga₂O₃器件，必须制备出具有可控载流子浓度和低缺陷密度的高质量外延层。晶体中的电活性深能级缺陷会充当补偿中心、电子陷阱或非故意掺杂源，严重影响器件的性能和可靠性。因此，识别、表征和理解这些缺陷的物理本质至关重要。但β-Ga₂O₃的低对称性单斜晶体结构（包含两种不等价的镓位点、三种氧位点和六种间隙位点）以及易于形成分裂空位、复合体等复杂缺陷，使得缺陷鉴定极具挑战。特别是文献中广泛报道但起源模糊的“E1”缺陷（位于导带下约0.6 eV附近），其性质存在显著差异。本研究旨在系统探究金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的硅掺杂β-Ga₂O₃外延层中的深能级缺陷，重点考察等时快速热退火（RTA）处理对这些缺陷浓度和电学特性的影响，并通过电场依赖分析厘清缺陷的受主/施主特性，从而为澄清“E1”等缺陷的微观起源提供关键实验证据。

详细工作流程 本研究包含样品制备、器件加工、电学表征、等时快速热退火处理、深能级瞬态谱（DLTS）和拉普拉斯-DLTS分析、电场依赖性测量以及数据解析等多个紧密衔接的步骤。

首先，样品制备：研究对象是轻掺硅（估算浓度约1.5×10¹⁷ cm⁻³）的（010）取向β-Ga₂O₃外延层（厚度约2 μm），通过MOCVD方法生长在商业购买的锡掺杂（010）衬底上。生长前对衬底进行了HF清洗和Ar气氛退火，生长过程中使用三乙基镓和氧气作为前驱体，硅烷作为n型掺杂源。

其次，肖特基势垒二极管（SBD）制备与处理：将样品切割清洗后，采用射频等离子体溅射，通过掩模版沉积直径为1.0 mm的圆形铂（Pt）肖特基接触（200 nm厚）。在样品背面沉积钛/金（Ti/Au, ³⁰⁄₁₀₀ nm）作为欧姆接触。为了保留生长后的原始缺陷状态，未对金属化后的样品进行任何退火处理。二极管被安装并引线键合至陶瓷基板以备电学测量。

第三，初始电学表征与等时快速热退火序列：在初始状态下，对制备的Pt/β-Ga₂O₃肖特基二极管进行电流-电压（J-V）和电容-电压（C-V）测量，评估其整流特性、理想因子、肖特基势垒高度以及电离施主浓度（Nₐ⁺）深度分布。随后，研究进入核心的等时快速热退火（RTA）处理循环。样品在N₂气氛中依次经历从150°C到450°C（以100°C为间隔）的等时退火。每个退火步骤的升温速率为5 °C/s，在目标温度下保持5分钟，然后自然冷却至室温。每一次RTA步骤后，都重复进行J-V、C-V和后续的DLTS测量，以监测器件特性和缺陷随退火温度的演变。

第四，深能级缺陷表征：本研究采用常规DLTS和高分辨率拉普拉斯-DLTS作为核心分析技术。所有DLTS测量均在固定的偏置条件下进行（反向偏压Ub = -10 V，脉冲偏压Up = -4 V，填充脉冲宽度tp = 1 ms）。测量温度范围覆盖30 K至400 K。拉普拉斯-DLTS用于精确提取电子发射率、激活能（ΔE_c）和表观俘获截面（σ_app）。为了分析缺陷的电荷状态，研究采用了双关联DLTS技术来测量电子发射率对电场的依赖性。该方法通过固定反向偏压（Ub = -12 V）和固定的两个脉冲偏压差（2 V），变化脉冲偏压的幅度来探测耗尽层不同深度处的电场，从而分析发射率与电场的关系，判断缺陷是施主型（表现为Poole-Frenkel发射机制，ln(e_em) ∝ √E）还是受主型（表现为声子辅助隧穿机制，ln(e_em) ∝ E²）。

第五，数据分析工作流程： 1. 从每次RTA后的C-V数据提取Nₐ⁺深度剖面，用于修正DLTS谱的陷阱平均浓度计算，因为探测的耗尽层宽度和陷阱浓度（N_t）依赖于Nₐ⁺。 2. 从常规DLTS谱识别并追踪不同退火温度下各个深能级峰的位置和强度变化。 3. 使用拉普拉斯-DLTS提取各缺陷的精确Arrhenius图（ln(e_em/T²) vs. 1/T），通过线性拟合得到ΔE_c和σ_app。 4. 对特定缺陷（本研究重点针对Ec-0.55 eV和Ec-0.62 eV能级）进行电场依赖性分析，绘制ln(e_em)与E或√E的关系图，根据线性关系判断其受主或施主特性。 5. 综合分析缺陷浓度随RTA温度的演变趋势、热稳定性以及电荷特性，结合文献中的第一性原理计算结果，对缺陷的微观起源进行讨论和指认。

主要结果 研究取得了系统且多层次的结果，揭示了β-Ga₂O₃中多个深能级缺陷的复杂行为。

电学特性演变：J-V和C-V测量表明，RTA处理显著改变了肖特基二极管的性能。在150°C和250°C退火后，反向漏电流降低了约两个数量级；当退火温度≥250°C时，二极管理想因子从生长态的3.28显著改善至350°C退火后的1.25。C-V分析显示，生长态样品的电离施主浓度（Nₐ⁺）随深度增加而显著下降，这可能与硅钝化或体内补偿缺陷有关。经过DLTS升温扫描（相当于一次反向偏置退火，RBA）和后续的RTA处理，Nₐ⁺整体上升并在（2.1–2.3)×10¹⁷ cm⁻³范围内达到稳定平台，表明热处理激活了施主或消除了部分补偿。

深能级缺陷的识别与表征：通过DLTS在硅掺杂MOCVD β-Ga₂O₃中检测到四个明确的深能级，其导带下发射激活能（ΔE_c）分别为0.06 eV、0.40 eV、0.55 eV和0.62 eV，浓度范围在10¹³–10¹⁴ cm⁻³。此外，在~375 K观察到一个不稳定的深能级峰（与文献中反向偏置退火诱导的E2*缺陷行为一致），因其热不稳定性未做详细分析。

各缺陷对热处理的响应： - Ec-0.06 eV缺陷（E10）：其DLTS信号对电场极度敏感。在初始DLTS扫描至310 K后，其表观浓度下降约50%；扫描至400 K（RBA条件）后，该峰完全消失。这种快速“消失”并非缺陷完全消除，而是由于RBA和RTA后Nₐ⁺增加导致结区电场增强，从而大幅提高了该缺陷的电子发射率，使其DLTS峰移至所用率窗（rate window）可探测的温度范围以下。这表明E10很可能是一个施主型缺陷，其行为与理论预测的Si_Ga2相关缺陷相符。 - Ec-0.40 eV缺陷（E9）：其浓度随着RTA温度升高呈现系统性下降（从~4×10¹³ cm⁻³降至~1.5×10¹³ cm⁻³）。这种减少被解释为缺陷沿[010]方向迁移出探测耗尽区所致，而非本质的热分解。电场依赖性分析证实其为受主型缺陷。 - Ec-0.55 eV缺陷和Ec-0.62 eV缺陷：这两个能级都位于文献中常报道的“E1”缺陷能量范围附近。它们表现出截然不同的热稳定性和电荷特性： - Ec-0.62 eV缺陷：在RTA温度达到350°C后，其浓度显著下降（被抑制或迁出），在450°C退火后无法探测。电场依赖性分析明确显示其电子发射率服从ln(e_em) ∝ √E的关系，这是Poole-Frenkel发射的典型特征，表明该缺陷是一个带正电的施主能级。 - Ec-0.55 eV缺陷：其行为相反。随着RTA温度升高（尤其在≥350°C后），其浓度增加。电场依赖性分析显示ln(e_em) ∝ E²的关系，表明其电子发射主要通过声子辅助隧穿进行，这是受主能级的典型特征。

缺陷指认与命名提议：基于激活能、热稳定性，特别是新获得的电荷特性数据，研究团队对这两个密切相关的能级提出了明确的区分和命名： - E1a：指认Ec-0.55 eV的受主能级。其性质与第一性原理计算预测的V_Ga^Ib-H^+ - V_O1（氢化镓空位-氧空位复合体）等缺陷的受主转变能级相符。 - E1b：指认Ec-0.62 eV的施主能级。其性质与理论计算中Si_Ga1-H或Sn_Ga2-H（氢钝化的硅或锡替位缺陷）等缺陷的施主转变能级相符。

结论与意义 本研究通过系统的等时快速热退火实验，结合高分辨率的拉普拉斯-DLTS和电场依赖性分析，澄清了β-Ga₂O₃中“E1”能级区域的混淆。核心结论是：文献中通常笼统归为“E1”的、位于导带下约0.6 eV附近的缺陷信号，实际上可能包含至少两个物理起源不同、电荷性质迥异的独立缺陷——受主型的E1a (Ec-0.55 eV) 和施主型的E1b (Ec-0.62 eV)。 它们可以通过电场依赖分析或高分辨率DLTS进行区分。

本研究的科学价值在于： 1. 提供了关键的实验区分标准：首次通过实验将E1a和E1b的受主/施主特性与它们的热处理行为（E1b在~350°C以上被抑制，E1a在类似温度下浓度增加）关联起来，为缺陷鉴定提供了除激活能外的多维判据。 2. 建立了缺陷性质与微观结构的联系：基于实验结果，提出了与第一性原理计算相对应的具体缺陷模型候选者，将E1a指向氢化双空位类缺陷，将E1b指向氢钝化的硅/锡施主类缺陷，推动了从实验现象到微观机制的理解。 3. 揭示了缺陷动力学：详细描绘了不同深能级在热处理下的迁移、生成或湮灭行为，为优化β-Ga₂O₃材料的外延生长和器件工艺（如退火条件）以控制特定缺陷提供了指导。 4. 展示了方法论的重要性：凸显了拉普拉斯-DLTS的高分辨率优势和电场依赖性分析在厘清复杂缺陷体系中的不可或缺的作用。

研究亮点 1. 创新性的缺陷解析：成功地将纠缠在一起的“E1”缺陷信号分解为E1a和E1b，并明确了其相反的电荷性质和热响应，这是对β-Ga₂O₃缺陷物理认知的重要突破。 2. 系统而严谨的实验设计：采用等时RTA序列结合每一步的完整电学和DLTS表征，动态追踪了缺陷演变的完整图谱，数据连贯且有说服力。 3. 先进且恰当的表征技术组合：综合运用常规DLTS、拉普拉斯-DLTS和双关联DLTS进行电场分析，构成了一个强大而全面的缺陷表征工具箱，研究方法具有示范性。 4. 理论与实验紧密结合：在指认缺陷时，不仅依据实验数据，还积极与已有的第一性原理计算结果对话，使结论更具深度和可信度。

其他有价值内容 研究还讨论了Ec-0.06 eV (E10) 缺陷与部分电离施主行为的关联，以及Ec-0.40 eV (E9) 缺陷可能的外来杂质起源。同时，文中观察到的Nₐ⁺深度分布在热处理前后的显著变化，暗示了体内存在可动的补偿中心（如间隙氧O_i）或氢钝化机制，这为进一步研究β-Ga₂O₃中的补偿和钝化现象指明了方向。补充材料中提供的肖特基势垒高度分析、E10的Arrhenius图数据、E9的电场分析以及导纳谱发现的浅能级（Ec-12 meV）等信息，也丰富了研究的整体图景。