【国际论文】JAC丨西班牙巴塞罗那微电子研究所：硅离子注入对 α-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃ 横向 MESFET 晶体管的影响

        由西班牙巴塞罗那微电子研究所、拉脱维亚大学固体物理研究所和法国巴黎萨克雷大学 GEMaC 实验室的研究团队在学术期刊 Journal of Alloys and Compounds 发布了一篇名为 Impact of Si ion implantation on α-Ga₂O₃ and β-Ga₂O₃ lateral MESFET transistors（硅离子注入对 α-Ga₂O₃ 和 β-Ga₂O₃ 横向 MESFET 晶体管的影响）的文章。

        氧化镓（Ga₂O₃）作为一种超宽禁带半导体，因其高临界电场（大于 8 MV/cm）和较高的电子迁移率（约 150-300 cm²/V·s）而备受关注，其 Baliga 优值（BFOM）远超碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。Ga₂O₃ 存在多种晶型，其中 β-Ga₂O₃ 是热力学稳定相，已成为功率器件开发的主要焦点，而 α-Ga₂O₃ 具有更宽的禁带（5.3-5.6 eV），可与蓝宝石衬底形成高质量异质外延，并支持 α-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃ 合金的能带工程。然而，α-Ga₂O₃ 属于亚稳相，在约 450-550 °C 时会发生重构式相变转变为 β-Ga₂O₃，这一固有热不稳定性对器件制造构成重大障碍。

        离子注入掺杂是 β-Ga₂O₃ 器件中选择性沟道和欧姆接触形成的常用技术，通常需要 900-1100 °C 的高温退火来修复晶格损伤并激活施主。这一热预算要求与 α-Ga₂O₃ 的相稳定性窗口存在根本性冲突。尽管已有研究采用 Al₂O₃ 覆盖层策略来延缓相变，但注入式掺杂激活所需的热预算是否与 α-Ga₂O₃ 的亚稳性兼容仍未得到系统探索。该团队首次对 Si 注入的 α-Ga₂O₃ 和 β- Ga₂O₃ MESFET 采用等效工艺进行了直接对比研究，评估了注入掺杂技术在 α-Ga₂O₃ 器件中的可行性。

        该团队将亚稳相 α‑Ga₂O₃ 的 Si 离子注入沟道工艺可行性与成熟的 β‑Ga₂O₃ 横向 MESFET 注入工艺进行直接对比。对两种多晶型施加完全一致的多能量 Si 注入方案（10‑200 keV）与热退火条件，评估注入掺杂与 α‑Ga₂O₃ 热稳定窗口的兼容性。

        对于 β‑Ga₂O₃，Si 注入搭配 900‑1100 ℃ 高温退火，成功形成导电沟道与欧姆接触，制备得到可正常工作的横向 MESFET，器件具备良好的电流调制以及电流饱和特性。与之相反，生长在 m 面蓝宝石上的 α‑Ga₂O₃ 薄膜受亚稳本征特性限制，存在显著工艺短板。原子层沉积（ALD，Atomic Layer Deposition）制备的 Al₂O₃ 覆盖层可以将 α→β 相变推迟至约 700 ℃，该结论得到 X 射线衍射（XRD，X‑ray Diffraction）测试证实。但在此温度区间退火后，电学测试没有检测到可测量的沟道电导，说明在 α‑Ga₂O₃ 的热稳定窗口内无法实现注入 Si 施主的有效电激活。当退火温度进一步提升至杂质激活所需温度时，α 相会完全发生重构相变转变为 β‑Ga₂O₃，伴随严重的结构退化，材料输运能力被抑制。

        上述结果证明，即便是使用热稳定覆盖层，传统注入施主激活所需的热预算依旧超过 α‑Ga₂O₃ 的亚稳窗口。该研究指出离子注入制备 α‑Ga₂O₃ 功率器件存在根本性工艺限制，同时提出需要开发低热预算的新型掺杂与器件制备技术。

        ①双相直接对照实验：该团队在完全相同的离子注入、退火工艺条件下完成 α‑Ga₂O₃、β‑Ga₂O₃ 的横向 MESFET 对照制备，排除工艺变量干扰，明确两种晶相对 Si 离子注入工艺的响应差异。

        ②Al₂O₃ 覆盖层延缓相变：ALD 沉积的 30 nm Al₂O₃ 覆盖层将 α→β 相变温度延迟至约 700 °C，明显高于未覆盖薄膜的相变阈值（450-550 °C）。

        ③揭示根本性热预算矛盾：传统 β‑Ga₂O₃ 使用的高温注入激活退火热预算超出 α‑Ga₂O₃ 的亚稳区间；升温到杂质激活温度时材料发生相变并发生严重结构劣化，器件无法工作。

        ④指明后续技术发展方向：该团队提出脉冲激光退火（PLA，Pulsed Laser Annealing）、闪光灯退火（FLA，Flash Lamp Annealing）等瞬态低热预算退火技术，有望在保留 α 相晶体结构前提下实现杂质激活。

        该团队采用类似的 Si 注入横向 MESFET 制备工艺，对 α‑Ga₂O₃ 和 β‑Ga₂O₃ 中的离子注入沟道工程进行了研究。在 β‑Ga₂O₃ 中，硅注入同时定义了导电沟道和欧姆接触区域。通过多能量 Si 注入（10、30、60、95 和 200 keV），沟道区总剂量为 2 × 10¹³ cm⁻²，接触区总剂量为 2 × 10¹⁵ cm⁻²，随后在 900-1100 °C 下退火，成功形成了明确的导电沟道和接触。尽管这种注入-退火方法对于在 Ga₂O₃ 或蓝宝石上生长的非故意掺杂（UID）β‑Ga₂O₃ 层中的电导率控制是有效的，但对于热亚稳的 α‑Ga₂O₃ 仍然存在问题。为缓解这一限制，该团队引入了原子层沉积（ALD）的 Al₂O₃ 覆盖层，以增强 m 面蓝宝石上刚玉相 α‑Ga₂O₃ 在注入后退火（500-1100 °C）过程中的热稳定性。覆盖层提高了 α 相的稳定性，将 α→β 相变延迟至约 700 °C，远高于未覆盖薄膜的阈值。尽管有这一改进，电学测量表明该温度仍不足以获得足够导电的注入区域。在更高的退火温度下（通常可实现高效激活），材料完全转变为 β 相，引入额外的结构无序并阻止有效的器件工作。

        在此背景下，低热预算激活技术如脉冲激光退火（PLA）和闪光灯退火（FLA）可能代表有前景的替代方案。这些方法可以产生非常高的瞬态表面温度，同时保持较低的平均热负荷。因此，掺杂剂激活和注入损伤恢复可能在比重构式 α→β 相变所需的广泛原子重排更短的时间尺度内发生。尽管这一假设仍有待实验验证，但此类方法可能为克服本工作所识别的热预算限制提供可行途径。这些结果表明，为 β‑Ga₂O₃ 开发的传统离子注入激活策略从根本上与亚稳 α‑Ga₂O₃ 不兼容，即使采用热稳定化层也是如此。除了证明这一限制外，本工作还为基于注入的 α-Ga₂O₃ 器件制备建立了实用基准。

图 1.β-Ga₂O₃ 同质外延生长在 (-201) Ga₂O₃:Fe 衬底上的结构分析。(a) XRD 扫描谱图；(b) FIB 制备薄片的高角环形暗场-透射电子显微镜（HAADF-TEM）图像；(c) [010] 晶带轴的 β-Ga₂O₃ 晶体的 VESTA 模拟；(d) 具有原子分辨率的 Ga 原子柱的 HAADF-TEM 图像。

图 2. α-Ga₂O₃ 薄膜的结构表征。(a) XRD θ-2θ 扫描曲线；(b) α-Ga₂O₃ 晶体主要晶面示意图；(c) 截面高角环形暗场-扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像；(d) α-Ga₂O₃ 界面的 TEM 图像。

图3.使用 SRIM 获得的 (a) α- 和 (b) β-Ga₂O₃ 中模拟的 Si 注入分布。不同注入能量下 Si 掺杂剂浓度的深度分布，显示沟道和接触掺杂区域的形成。

图4.β-Ga₂O₃ 基线 MESFET 制备工艺流程图。

图 5. β-Ga₂O₃ 平面隔离 MESFET 的电学测试结果。(a) 输出特性曲线；(b) 转移特性曲线。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jallcom.2026.191091