【外延论文】高剂量 Ge 掺杂物在β-Ga₂O₃中的激活限制

        由美国康奈尔大学的研究团队在学术期刊Journal of Applied Physics发布了一篇名为Limitations on activation of high dose Ge implants in β-Ga₂O₃（高剂量 Ge 掺杂物在β-Ga₂O₃ 中的激活限制）的文章。

摘要

        在超宽禁带半导体中，β-Ga₂O₃ 在高功率和高频应用方面展现出尤为突出的潜力。对于器件应用而言，需要实现 高于 10¹⁹ cm^-3 的 n 型掺杂浓度。由于 Ge 的离子半径与 Ga 相近，因此被认为是一种有前景的 n 型掺杂元素。本文在同质外延的 (010) β-Ga₂O₃ 薄膜中进行 Ge 离子注入，形成厚度分别为 50 nm 和 100 nm 的“盒式”掺杂分布，对应浓度为 3 × 10¹⁹ cm^-3 和 5 × 10¹⁹ cm^-3，注入引入的晶格损伤范围为 1.2–2.0 次每原子位移。对于损伤较低的注入样品，在 950–1000 °C 的超高纯 N₂ 气氛中退火 5–10 min 后，可获得 600–700Ω/□ 的片电阻（R_s）、60–70 cm²/V·s 的电子迁移率，Ge 的电学激活率最高可达 40%。而对于损伤较高的注入样品，在迁移率相近的情况下，其激活率下降至 23%。通过二次离子质谱（SIMS）测量 Ge 的扩散行为发现，在 950–1050 °C 的 N₂ 或 O₂ 退火后，Ge 分布中出现了一个 “Ge 聚集峰（clustering peak）”，其浓度甚至超过初始注入浓度。在该峰之外，当在 950 °C 的 N₂ 气氛下退火时，Ge 的扩散极为有限；而在 1050 °C 时，则出现non-Fickian扩散，扩散深度可超过 200 nm。电学激活结果表明，发生聚集的 Ge 在电学上是 非活性的。为了进一步理解 Ge 的聚集行为，对若干样品进行了 同步辐射 X 射线衍射（XRD） 表征。在离子注入后的样品中观察到 第二相沉淀，而在 1050 °C 的 N₂ 气氛炉退火后这些沉淀完全溶解。衍射峰分析表明，这些由离子注入诱导形成的沉淀可能与 GeO₂ 的高压 Pa-3 相有关，并且在退火过程中发生演化，从而导致 Ge 聚集现象。最终，研究团队认为 在高掺杂浓度下，Ge 的聚集行为限制了注入 Ge 的电学激活效率。

原文链接：

https://doi.org/10.1063/5.0310900