本文的研究论文由以A.Y. Polyakov、V.I. Nikolaev、S.J. Pearton等为主要作者的多国研究团队完成，参与机构包括俄罗斯国家研究型技术大学（MISIS）、俄罗斯科学院微电子技术和高纯材料研究所、挪威奥斯陆大学、韩国高丽大学、美国佛罗里达大学等。该研究发表于《Journal of Alloys and Compounds》期刊，在线发表日期为2022年12月2日，文章最终收录于2023年的第936卷。
这项研究属于半导体材料与器件物理领域，具体聚焦于新兴超宽禁带半导体材料氧化镓（Ga₂O₃）的异质结界面特性。Ga₂O₃因其约4.6-5.2 eV的超宽禁带，在高压功率电子和日盲紫外光电器件中显示出巨大潜力。然而，Ga₂O₃存在多种晶体结构（多型体），其中亚稳态的κ相（或称ε相）Ga₂O₃因其强自发电极化特性备受关注，这为设计高性能场效应晶体管（如高电子迁移率晶体管HEMT）提供了可能，因为极化效应可在异质界面诱导产生高浓度的二维载流子气（2DEG或2DHG）。尽管如此，κ-Ga₂O₃的晶体质量通常较差，且其实验研究，特别是基于异质结的电子特性研究，仍然非常缺乏。本研究的主要动机在于探索κ-Ga₂O₃与另一种强极化材料氮化铝（AlN）构成的异质结的界面电学性质。研究团队旨在通过实验表征与理论模拟相结合的方法，揭示在κ-Ga₂O₃/AlN界面是否能够形成二维载流子气，并确定其类型（电子或空穴），这对于开发基于Ga₂O₃的新型极化工程器件具有重要的科学意义。研究的直接目标包括：在AlN/Si模板上生长κ-Ga₂O₃薄膜；通过电容-电压（C-V）、电流-电压（I-V）、深能级瞬态谱（DLTS）和电子束诱导电流（EBIC）等多种电学与显微技术表征其特性；并基于极化差异理论建模，解释观察到的异常电学行为。
研究的详细工作流程可分为薄膜生长与样品制备、综合结构电学表征、以及理论建模与解释三个主要环节。首先，在样品制备阶段，研究团队使用自制卤化物气相外延（HVPE）系统进行生长。他们先在5000 Ωcm的高阻n型Si(111)衬底上，于1000°C下生长了0.6微米厚的未掺杂AlN层，形成了AlN/Si(111)模板。随后，在此模板上于530°C生长了总厚度为2.1微米的κ-Ga₂O₃薄膜。该薄膜采用轻度的锡（Sn）掺杂，其中靠近衬底的1.5微米为未掺杂层，顶部的0.6微米为Sn掺杂层，净施主浓度约为10¹⁵ cm⁻³。样品制备完成后，通过X射线衍射（θ-2θ XRD）确认了κ-Ga₂O₃相的成功形成以及其晶体取向。在器件加工方面，团队在薄膜表面通过电子束蒸发和掩膜板工艺制备了用于电学测试的金属接触：直径为1毫米、厚度20纳米的镍（Ni）肖特基接触，以及两条钛/金（Ti/Au，20/80 nm）欧姆接触。欧姆接触在300°C氮气氛围中进行了快速热退火以改善性能。论文特别指出，由于Ga₂O₃表面态的影响以及不同多型体间原生缺陷性质的差异，获得良好的欧姆接触仍需要经验优化。
其次，在综合表征阶段，研究团队进行了一系列详尽的测试。他们首先进行了电容-频率（C-f）测量，以确定进行电容-电压（C-V）分析和深能级瞬态谱（DLTS）测量的合适频率（约100 kHz）。随后进行的C-V测量揭示了第一个关键异常：1/C² 随电压（V）变化的曲线斜率符号与典型的n型半导体肖特基二极管行为相反，呈现出类似p型材料的特征，且电压偏移量异常大（室温8.3 V，120 K时13 V），远超κ-Ga₂O₃的禁带宽度。由此计算出的载流子浓度剖面显示，空间电荷区（SCR）的宽度超过了Ga₂O₃薄膜的几何厚度。同时，I-V特性测量也显示出类似p型器件的整流行为，并伴有极高的串联电阻（室温1.2×10⁵ Ω）。为了排除欧姆接触不良的可能性，研究者特意测量了两个Ti/Au欧姆接触之间的I-V曲线，证实其具有良好的线性关系，从而确认了异常信号源自材料本体或界面，而非接触问题。深能级表征方面，DLTS谱（在适用于p型样品的测试条件下获得）在低温区（<200 K）信号快速下降，与电容随温度强烈降低有关；在高温区则探测到两个多数载流子（此处为空穴）陷阱，其激活能分别为0.8 eV和0.65 eV。最为关键的实验证据来自电子束诱导电流（EBIC）成像。研究者使用不同加速电压（10， 20， 30， 39 keV）的电子束扫描样品表面。结果显示，随着电子束能量增加（即激发深度增加，接近Ga₂O₃/AlN界面），EBIC信号的强度显著增强。在39 keV时，薄膜的微观结构（如裂纹）在EBIC图像中清晰可见。此外，在一个存在凹陷（薄膜局部变薄）的区域进行的对比实验发现，即使在低束能下，凹陷处也能产生明显的EBIC信号，而周围较厚的区域则需要高束能才能观测到信号。这强有力地表明，产生EBIC信号的载流子收集结并非位于表面，而是位于或非常接近κ-Ga₂O₃/AlN异质界面。
第三，在理论建模与解释阶段，研究团队为了理解上述一系列反常的p型导电行为，提出了两种可能性：一是κ-Ga₂O₃体材料中形成了p型导电（有理论认为硅掺杂在特定位置可能表现为浅受主，但被认为可能性较低）；二是由于AlN和κ-Ga₂O₃自发电极化的差异，在界面处形成了二维空穴气（2DHG）。他们重点对第二种可能性进行了模拟验证。研究采用FETIS模拟器（一种适用于此类异质结的器件模拟软件），通过求解泊松方程，并计入所有界面（κ-Ga₂O₃/Aln、AlN/Si等）的极化电荷，计算了能带图和载流子浓度分布。模拟中使用的材料参数（如带隙、电子亲和能、自发极化强度等）均引自文献。由于各层材料之间晶格失配大且层厚较厚，模拟假设所有层均已弛豫，并验证了应变引起的压电极化贡献远小于自发极化的贡献。模拟结果清晰地显示，在设定的极化方向（如图中箭头所示）和κ-Ga₂O₃层净施主浓度为10¹⁵ cm⁻³的条件下，κ-Ga₂O₃层内几乎没有自由电子，而在κ-Ga₂O₃/AlN界面处则形成了一个高浓度的二维空穴气（2DHG）。这使得整个结构的行为类似于一个漏电的金属-绝缘体-半导体（MIS）结构，与实验观测到的C-V特性（当解释为MIS结构的C-V曲线时）相一致。模拟还进一步指出，探测到这个界面2DHG的能力 critically取决于κ-Ga₂O₃层的净掺杂浓度和厚度，因为如果薄膜n型部分未被完全耗尽，其导电性会掩盖界面p型层的信号。
研究获得的主要结果环环相扣，逐步导向最终结论。初始的C-V和I-V异常是发现问题的起点，它们排除了常规n型体导电的假设，指向了可能存在p型导电区域。EBIC实验则是连接现象与位置的关键桥梁，它无可争议地证明了这个产生信号的结（即载流子分离与收集的区域）位于薄膜深处，即异质结界面上。这一空间定位结果将可能的解释范围从“体p型导电”大幅缩小至“界面处特殊导电层”。最后，基于极化差异的理论建模为实验观测提供了自洽的物理解释。模拟成功复现了在特定条件下界面处形成2DHG的可能性，并且解释了为何在如此轻n型掺杂（10¹⁵ cm⁻³）且厚度适中（2.1 µm）的κ-Ga₂O₃层中，体电子被完全耗尽，使得界面2DHG的信号得以显现。DLTS探测到的空穴陷阱，也可能与这个界面区域或贯穿缺陷相关。这些结果之间构成了完整的证据链：异常的电学信号（C-V， I-V）暗示了p型行为；显微成像（EBIC）将其定位在界面；物理模型（极化理论模拟）则解释了其成因和条件。
本研究的结论是，在通过HVPE方法生长在AlN/Si模板上的κ-Ga₂O₃薄膜中，实验观测到的反常p型导电行为，并非来源于体材料的p型掺杂，而是极有可能源于κ-Ga₂O₃与AlN之间自发电极化强度的差异，从而在异质界面处诱导形成了一个二维空穴气（2DHG）。该结论得到了C-V特性、I-V特性、EBIC成像以及理论模拟的综合支持。这项研究的科学价值在于，首次实验报道并系统论证了在κ-Ga₂O₃基异质结中可能形成二维空穴气，这扩展了人们对Ga₂O₃多型体极化特性的认识，并为利用极化工程在Ga₂O₃中设计p型沟道或复杂的载流子调制结构提供了新的思路和实验依据。在应用价值上，尽管实现稳定的、高性能的p型Ga₂O₃体材料仍是巨大挑战，但通过异质结界面工程“间接”产生空穴导电通道，为开发Ga₂O₃基互补逻辑电路或新型高压功率开关器件开辟了一条潜在的技术路径。
本研究的亮点突出体现在以下几个方面：首先，重要的发现：这是首次结合多种电学与显微技术，实验观测并强有力地论证了在κ-Ga₂O₃/AlN异质界面存在类p型导电层，并将其归因于二维空穴气的形成，这是一个新颖且重要的发现。其次，巧妙且多层次的研究方法：研究采用了从宏观电学测量（C-V， I-V）到微观局域探测（EBIC），再到理论物理建模（极化模拟）的多层次、多技术联用策略，形成了非常扎实和完整的证据体系。特别是利用不同能量的EBIC成像来探测载流子收集结的空间位置，方法直接而有效。第三，对复杂现象的系统性剖析：面对初始反常的实验数据，研究者没有停留于现象描述，而是通过排除法（验证欧姆接触）、空间定位（EBIC）和物理建模，层层深入，清晰地揭示了现象背后的物理机制。第四，指出了关键的影响因素：研究明确指出，能否在实验中探测到这种界面2DHG，强烈依赖于κ-Ga₂O₃层的掺杂浓度和厚度，这一见解对未来相关实验设计具有直接的指导意义。
此外，论文中还包含一些其他有价值的观点。例如，作者讨论了κ-Ga₂O₃晶体质量的问题，提到了通过外延横向过生长（ELOG）或生长厚膜来改善晶体质量的方法。他们也简要比较了不同生长技术（HVPE， MOCVD， MBE）在Ga₂O₃领域，特别是对于亚稳多型体的适用性，指出HVPE和雾化CVD（mist CVD）在生长厚层以承受高电场方面具有优势。同时，作者也展望了未来工作，例如在Aln/蓝宝石模板或体单晶AlN衬底上生长κ-Ga₂O₃进行研究，以进一步验证和探索这一现象。这些内容丰富了研究的背景和前瞻性思考。