【衬底论文】Sn 掺杂 β-Ga₂O₃ 半导体的缺陷与导电性的正电子湮没谱学研究

        β-Ga₂O₃ 作为一种新兴的第四代半导体材料，拥有超宽禁带（4.5-4.9 eV）、大击穿电压、耐高温和抗辐照等诸多优异的性能，展现出巨大的应用前景。为了提高 β-Ga₂O₃ 的 n 型导电性质，实验上主要是通过 Si、Ge、Sn 等元素进行掺杂的方法提高 β-Ga₂O₃ 的载流子浓度。但是在大部分实验中，β-Ga₂O₃ 的载流子浓度要小于掺杂浓度，这表明 β-Ga₂O₃ 中存在着影响导电性质的缺陷。为了发展 β-Ga₂O₃ 半导体器件性能，深入研究缺陷与宏观导电性质的影响至关重要。正电子在半导体中的湮灭过程对晶体结构、缺陷分布、动量分布和电子密度分布高度敏感，正电子湮没实验可为 β-Ga₂O₃ 材料的缺陷结构分析提供有力依据。

        在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项“研究动量空间谱学的纳米结构和纳米薄膜的多参数正电子谱学表征新方法”的支持下，中国科学技术大学粒子束交叉应用实验室利用正电子湮没谱学研究了导模法制备的三种不同Sn掺杂浓度的 β-Ga₂O₃ 晶体。如图1(a)所示，Sn 比 Ga 最外层电子多一个，理想情况下提供的载流子浓度应该与 Sn 掺杂浓度相当。但是实际情况下，载流子浓度约为S n 掺杂浓度的三分之一，这表明样品中存在着缺陷补偿载流子浓度。正电子湮没寿命实验和理论计算表明所有 β-Ga₂O₃ 的正电子湮没研究中测量得到的 175-190 ps 的寿命是Ga 空位的寿命，不是 β-Ga₂O₃ 的体寿命。正电子湮没寿命推导得到的空位浓度表明三种样品中都存在高浓度的 Ga 空位。如图1(b)所示，补偿载流子浓度（Sn 掺杂浓度减去 Ga 空位浓度）和 Ga 空位浓度的关系表明这些空位为 -3 价，是主要的受体缺陷。

图1.（a）载流子浓度与 Sn 掺杂浓度的关系，（b）补偿载流子浓度与 Ga 空位浓度的关系。

        该工作于 2024 年 11 月 7 日发表于凝聚态物理领域著名期刊Physical Review B，标题为《Ga vacancies as dominant intrinsic acceptors in Sn-doped β-Ga₂O₃ revealed by positron annihilation spectroscopy》(Phys. Rev. B 110, 174106 (2024))。论文的第一作者为粒子束交叉应用实验室博士生李钰环，通讯作者为徐光伟特任研究员（中国科大微电子学院）和张宏俊特任研究员。