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【国际论文】波兰科学院&IKZ——电场对Cz法生长的（100）向β-Ga₂O₃晶体中Ec-0.18 eV电子陷阱能级的影响
日期：2025-03-03阅读：133
近期，由波兰科学院和德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）的研究团队在知名学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 The electric field influence on EC-0.18 eV electron trap level in (100)-oriented β-Ga2O3 crystals grown by the Czochralski method（电场对 Czochralski 法生长的 (100) 向 β-Ga2O3 晶体中 EC-0.18 eV 电子陷阱电平的影响）的文章。该篇文章被期刊 Applied Physics Letters 编辑评选为特色文章。
第一作者介绍
本文第一作者 Piotr Kruszewski
研究方向：宽禁带半导体的电学特性分析以及基于电容技术的缺陷分析：在宽温度范围（77K-700K）内的电容-电压（C-V）、与温度相关的电流-电压（I-V）、用于缺陷表征的 DLTS（深层瞬态光谱）和拉普拉斯 DLTS、SiPDR（单后介质谐振器）--非接触式和晶圆/结构电阻率分析、与温度相关的霍尔效应分析、用于非破坏性材料分析的汞探针、大多数结构和器件可通过 4 针探针台在晶圆上进行表征（仅限 300K）。
项目支持
该项工作通过 A. Fiedler 得到了莱布尼茨学会项目的部分资助，Grant No. K429/2021。作者感谢了莱布尼兹水晶研究所（IKZ）的 C. Schafer（负责接触制备）、A. Kwasniewski（负责晶体定向）、T. Wurche（负责晶体切割）和 Tobias Schulz（负责对本文的批判性阅读），以及波兰科学院高压物理研究所（IHPP PAS）的 K.Gibasiewicz（负责二极管的电气连接）。
背景
随着对高功率电子设备的需求增加，氧化物半导体如 β-Ga2O3 被认为是取代硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等传统材料的潜力材料。β-Ga2O3 具有超宽带隙（4.85 eV）和极高的击穿电场（8 MV/cm），使其成为高功率电子器件的有前途的选择。β-Ga2O3 的一大优势是能够直接从熔体中生长出大型单晶体，包括 EFG 法、Cz 法和 VB 法，可制备直径达 6 英寸的晶片。然而，由于该材料的许多本征缺陷及其在 Cz 法生长时的特性，进一步理解其电子陷阱状态对于优化器件性能至关重要。
文章摘要
该篇文章中，研究人员展示了深能级瞬态谱（DLTS）和拉普拉斯 DLTS（L-DLTS）技术在非故意掺杂的 β-Ga2O3 晶体上的应用，这些晶体是通过 Cz 法生长的。实验结果明显表明，先前文献中已知的 E14 陷阱能级（具有 0.18 eV 的激活能）所对应的电容信号，实际上是由两个相近能级的电子发射信号的叠加所形成。研究人员注意到，相应的 L-DLTS 信号分裂成两个清晰分离的分量，激活能分别为 196 meV 和 209 meV，并且当肖特基二极管空间电荷区的电场强度超过 2 × 107 V/m（0.2 MV/cm）时，分裂现象发生。此外，DLTS 和 L-DLTS 信号对电场强度的强烈依赖以及由此增强的电子发射行为与一维 Poole–Frenkel（PF）模型非常吻合，这表明这两个陷阱能级具有类施主行为。最后，在电场为 3.5 × 107 V/m（0.35 MV/cm）的实验条件下，由于PF效应，研究的样品中电子的热发射势垒高度显著降低了 121 meV。
主要内容
本研究探讨了通过深能级瞬态谱（DLTS）和拉普拉斯 DLTS（L-DLTS）技术分析 Cz 法生长的 β-Ga2O3 晶体中的 EC-0.18 eV 电子陷阱能级。研究发现，原先被认为是一个陷阱能级的 EC-0.18 eV 实际上是两个相距较近的陷阱状态的叠加。通过施加电场（约 2×107 V/m），这些陷阱的电场增强效应导致它们的电子发射得到显著增强，符合 1D Poole–Frenkel（PF）模型，表明这些陷阱具有供体型行为。
实验细节
•样品制备：从 Cz 法生长的 β-Ga2O3 单晶中制备出(100)取向的样品，晶体的自由电子浓度为 4.7×1016 cm-3，电子迁移率为 152 cm2/V·s。
•电气测试：采用 Schottky 二极管进行 DLTS 和 L-DLTS 测量，电场强度范围为 6.8×106 至 3.5×107 V/m。实验中使用了特殊的双脉冲 DLTS（D-DLTS）和 L-DLTS 技术，能够有效分辨并分析两个电子发射信号。
•陷阱特征：通过 DLTS 谱和 Arrhenius 图，研究检测到多个陷阱，其中 EC-0.18 eV 的陷阱为两个供体型陷阱的叠加，具有 196 和 209 meV 的激活能。
创新点
• 通过 L-DLTS 和 D-DLTS 技术，首次清晰分辨出 EC-0.18 eV 陷阱水平实际上由两个接近的供体型陷阱状态组成。
• 研究展示了施加电场对电子发射的增强效应，并且通过 Poole-Frenkel 效应解释了电场对电子发射的影响，揭示了该陷阱的供体型行为。
• 该研究不仅在实验上成功分辨出多个陷阱，还展示了不同电场强度下电子发射行为的显著变化，为进一步理解和优化 β-Ga2O3 的电子缺陷提供了理论依据。
结论
该研究通过高分辨率的 L-DLTS 和 D-DLTS 技术，发现了 EC-0.18 eV 陷阱状态的两个组成部分，并验证了它们的供体型行为。研究表明，电场增强效应显著影响电子的发射率，且与 1D Poole-Frenkel 模型一致。该发现为 β-Ga2O3 缺陷分析提供了新的视角，揭示了电场对电子发射的强烈影响，并且为未来高功率器件中 β-Ga2O3 材料的优化提供了重要的信息。
实验图示
图 1. (a) 通过 Cz 法生长的 UID β-Ga2O3 样品在 20 s-1 速率窗口下的 DLTS 光谱；(b) 根据阿伦尼乌斯图确定的 DLTS 检测到的所有陷阱水平的相应活化能和表观俘获截面。
图 2. (a) 通过 Cz 法生长的 UID β-Ga2O3 样品上测量的随场变化的 D-DLTS 光谱，信号归一化为低温峰强度，并沿 Y 轴移动；(b) 在肖特基二极管耗尽区的不同区域测量的电容瞬态获得的双 L-DLTS 光谱，阱电压为 EC-0.18 eV。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0251567
