【国际论文】利用定量光学和热缺陷光谱法全面表征 β-Ga₂O₃ 中的氮相关缺陷态

        近期，由美国俄亥俄州立大学的研究团队在学术期刊APL Materials发布了一篇名为Comprehensive characterization of nitrogen-related defect states in β-Ga₂O₃ using quantitative optical and hermal defect spectroscopy methods（利用定量光学和热缺陷光谱法全面表征 β-Ga₂O₃ 中的氮相关缺陷态）的文章。

摘要

        本研究对氮掺杂β相氧化镓 (β-Ga₂O₃) 中主要的深受主能级进行了全面分析，阐明并统一了在深能级光学光谱 (DLOS) 中观察到的空穴发射特性。该缺陷的独特行为以及其较小的光学截面使得通过DLOS进行缺陷浓度分析变得复杂，而这对于β-Ga₂O₃中的缺陷表征至关重要。由于相同缺陷态同时向导带发射电子和向价带发射空穴，DLOS结果中出现了复杂特征，这表明形成了两种不同的原子结构配置，并暗示了亚稳态缺陷的特性。本文讨论了这种行为对DLOS分析的影响，并采用了双光束DLOS和光学等温测量等先进光谱技术来解决这些复杂问题。双光束DLOS方法揭示了在E_V+1.3 eV处的一个独特的空穴发射过程，这一过程在传统DLOS中曾被遮蔽。光学等温测量进一步表征了这一能级，该能级仅在氮掺杂的β-Ga₂O₃中出现。通过分析与温度相关的载流子发射率，该研究估算了β-Ga₂O₃中的空穴有效质量。该研究还强调了部分陷阱填充行为对DLOS分析的影响，并确认了β-Ga₂O₃中的空穴捕获和发射现象。虽然氮掺杂是通过有效补偿自由电子来创造半绝缘材料的理想方法，但本研究也揭示了肖特基二极管耗尽区内弱电场下存在显著的空穴发射和迁移过程。

图 1. 双光束 DLOS 实验示意图，显示光源（泵 = 4.2 eV）发射氮相关电平，ΔC 相应增大，第二单色光源（探针 = 1.2-3.0 eV）用于空穴发射过程/阱再填充，导致ΔC 减小。相应的能带图显示了泵和探针过程中缺陷态的发射过程。

图 2. 使用 (a) Ghadi 等人报告的 0.7 V 填充脉冲电压和 (b) 标准 0 V 填充脉冲电压的 SSPC 结果。根据 Ghadi 等人报告的光学截面分析结果，E_C-2.0 eV 和 E_C-2.9 eV 的缺陷能级上的电子光发射导致了两个正的触发，而 (b) 中测量到的 SSPC 中以E_V +? 表示的两个负的触发则意味着 EV的空穴发射过程。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0225570