【国际论文】APL丨德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心：单原子氮在 β-Ga₂O₃ 中的扩散

        由德国柏林亥姆霍兹材料与能源中心的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Monatomic nitrogen diffusion in β-Ga₂O₃（单原子氮在 β-Ga₂O₃ 中的扩散）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是一种性能优异的宽禁带半导体材料，禁带宽度约 4.9 eV，具备高击穿电压和较高的巴利加优值，适合用于低频功率开关器件，近年来已广泛应用于深紫外光电探测器、气体传感器以及肖特基二极管等领域。然而与多数氧化物半导体一样，β-Ga₂O₃ 的主要载流子为电子，p 型掺杂十分困难，其 n 型导电被认为源于氢原子形成的浅施主。为实现 p 型掺杂，镁、氮等多种潜在受主元素已被尝试，但这类掺杂会形成位于价带顶上方约 1.3 eV 的深受主能级。氮元素通常通过离子注入引入晶格，注入后需经高温退火激活掺杂原子，这一过程会导致氮原子在晶格中发生迁移。此前研究报道，仅在 T ≈ 1200 ℃ 的极高温度下才能观察到明显的氮扩散，基于从头计算推测氮扩散受空位介导的迁移过程控制。缺陷介导的扩散机制可用于控制界面、工程化特定应用的掺杂分布，尤其对 GaN 与 β-Ga₂O₃ 界面形成、电荷补偿以及器件电流阻挡层的构建至关重要。但现有引入氮的两种方法均会伴随局域缺陷的产生，氮扩散究竟由分子还是单原子主导仍不清楚，这一问题的判定对理解 p 型掺杂及缺陷工程具有重要价值。

        本研究考察 β-Ga₂O₃ 中氮的迁移，以确定其扩散由分子扩散还是单原子扩散主导。通过脉冲激光沉积制备特殊样品，使同位素 ¹⁴N 和 ¹⁵N 在空间上分离，并利用二次离子质谱测量加以验证。对迁移过程的深入认识通过气体逸出实验获得。实验数据为 β-Ga₂O₃ 中单原子氮扩散提供了清晰证据。

        ①通过脉冲激光沉积制备 ¹⁴N 与 ¹⁵N 空间分离的同位素分离样品，并经二次离子质谱验证。

        ②结合二次离子质谱与气体逸出实验，区分分子扩散与单原子氮扩散。

        ③发现混合同位素分子 ¹⁴N¹⁵N 的逸出速率与 ¹⁴N₂、¹⁵N₂ 相当。

        ④为 β-Ga₂O₃ 中氮扩散由单原子扩散主导提供清晰的实验证据。

        综上，本研究考察 β-Ga₂O₃ 中氮的迁移，以解决其扩散由分子还是单原子扩散主导的问题。对同位素掺杂样品的二次离子质谱测量表明，同位素 ¹⁴N 和 ¹⁵N 在空间上分离。尽管 ¹⁴N 与 ¹⁵N 空间分离，气体逸出测量仍显示，混合同位素氮分子 ¹⁴N¹⁵N 的逸出速率与 ¹⁴N₂ 和 ¹⁵N₂ 相似。由于大量混合同位素分子只能在氮原子于表面复合时形成，因此实验数据明确证明氮扩散由单原子扩散主导。