【会员论文】清华大学、中电科集团第四十六研究所团队：快速热退火对β‑Ga₂O₃中镓空位浓度的影响

        由清华大学、中国电子科技集团有限公司第四十六研究所的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Variation of Ga vacancy concentration induced by rapid thermal annealing in β‑Ga₂O₃（快速热退火对 β‑Ga₂O₃ 中镓空位浓度的影响）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，凭借高临界击穿电场成为下一代功率器件的核心候选材料，其缺陷调控对器件电学性能至关重要。传统退火工艺会显著改变材料导电特性，但镓空位与氧空位的作用机制仍存在争议；快速热退火（RTA）具有快速升降温特性，可产生与常规退火不同的缺陷行为，然而针对 Ar 与 O₂ 氛围下快速热退火对 β-Ga₂O₃ 表面形貌、化学态与镓空位浓度影响的系统研究仍然缺乏，相关缺陷演化规律尚未明确。

        快速热退火（RTA）可精确控制热预算，是调控半导体性能的有效手段。该团队对非故意掺杂（001）β-Ga₂O₃ 衬底分别进行 Ar 与 O₂ 氛围快速热退火处理，采用原子力显微镜与 X 射线光电子能谱表征表面形貌与化学态。结果表明，Ar 氛围退火后样品发生明显表面热分解，近表面镓空位浓度显著升高；而 O₂ 氛围退火后样品未出现明显变化。

        •系统研究 Ar 与 O₂ 氛围快速热退火对 β‑Ga₂O₃ 表面性能的影响。

        •Ar 氛围下 1150 ℃（低于 1200 ℃）快速热退火即可使 β‑Ga₂O₃ 发生明显热分解。

        •Ar 氛围快速热退火显著提升 β‑Ga₂O₃ 近表面镓空位浓度。

        •O₂ 氛围快速热退火对 β‑Ga₂O₃ 表面形貌与镓空位浓度无明显影响。

        •建立 XPS 中 O (2) 分量与 β‑Ga₂O₃ 镓空位浓度的关联。

        该团队采用 AFM 与 XPS 系统研究了 1150 ℃、40 s 不同氛围快速热退火对 β-Ga₂O₃ 近表面区域的影响。其一，在缺氧氛围下，即使温度低于 1200 ℃，快速热退火过程中 β-Ga₂O₃ 仍会发生明显表面热分解。其二，缺氧氛围退火会导致近表面形成高浓度镓空位，而富氧氛围退火后镓空位浓度无显著变化。

图 1. （001）β‑Ga₂O₃ 的 AFM 表面形貌：(a) 退火前；(b) Ar 氛围退火后；(c) O₂ 氛围退火后。虚线为提取高度剖面的位置。

图 2. β‑Ga₂O₃ 样品的 XPS 图谱。(a) Ar 氛围退火样品退火前后的 O 1s 谱，上下曲线分别为退火后与退火前测试结果。(b) Ar 氛围退火样品的 O 1s 深度剖析谱。(c) Ar 氛围退火样品的 Ga 2p_3/2 深度剖析谱。

图 3. 三组样品 XPS 深度剖析的深度依赖演化：(a) O (2) 浓度与 (b) Ga 浓度随溅射深度的变化。

DOI：

doi.org/10.35848/1347-4065/ae5f53