【国际论文】名古屋大学针对氧化镓p型瓶颈的新策略：利用Ni离子注入+氧退火研究Ga₂O₃的p型层形成

        由日本名古屋大学的研究团队在学术期刊 Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 p-type layer formation study for Ga₂O₃ by employing Ni ion implantation with two-step oxygen plasma and thermal annealing（利用 Ni 离子注入结合两步氧等离子体处理和热退火研究 Ga₂O₃ 的 p 型层形成）的文章。

        Ga₂O₃ 被认为是下一代高效功率器件的潜力材料，其 Baliga 优值 (BFOM) 在单极器件中仅次于金刚石，优于 Si、SiC 和 GaN。对于化合物半导体而言，晶体质量及 p 型受主层和 n 型施主层的实用化制备技术，是器件多样化与规模化的关键。目前，SiC 肖特基二极管已逐步应用于逆变器，但其高成本与高温加工工艺限制了市场拓展，同时 SiC 在双极 pn 结器件中存在退化问题。相比之下，Ga₂O₃ 兼容熔融生长方法，成本更低，但实用的双极 pn 二极管尚未实现。已有研究提出在 Ga₂O₃ 衬底上沉积 p 型 NiO 异质层，并尝试了多种工艺（如溅射、脉冲激光沉积、多元醇还原和 Ni 合金化），证明其在电场弛豫和空穴注入中具有潜力。然而，溅射 NiO 薄膜难以在分子尺度上与 Ga₂O₃ 保持均匀稳定接触，类似于 Si 器件中非热氧化 SiO_x 层的局限。鉴于此，本研究参考 Si 热氧化过程，旨在探索一种可广泛适用于 Ga₂O₃ 器件的实用 p 型功能层，用于空穴注入与结稳定化。

        本文展示了在氧化镓（Ga₂O₃）中形成稳定局部或平面型 p 型层的情况。研究者的理念是使用氧化镍（NiO）作为掺杂剂。该工艺包括：将 ⁵⁸Ni 离子注入氧化镓衬底，随后激活并改善注入的 ⁵⁸Ni 的结晶度，通过低温氧自由基等离子体退火（O-PA）和氧气快速热退火（O₂-RTA）形成 NiO 掺杂层。为验证该概念的可行性，研究者进行了基本实验。结果表明，O-PA 比 O₂-RTA 更有效地修复了 ⁵⁸Ni 注入所引起的损伤。本文展示了使用 Ga₂O₃ 衬底制造的 Ga₂O₃ 二极管结构的典型层评估结果，包括正向和反向电学特性 ["NiO 掺杂："Ni/Ga₂O₃：NiO(p)/ Ga₂O₃：Sn (n)/Ti，和 "Ni/Schottky："Ni/Ga₂O₃：Sn (n)/Ti]。其中，NiO 掺杂二极管采用最高 Ni 注入浓度 10²⁰ cm^-3，并在 O-PA 和 O₂-RTA 处理后制备而成。采用两步退火（低温 O-PA（300°C，1 小时）和 O₂-RTA（950°C，1 小时））处理的 NiO 掺杂二极管表现出明显的双极整流特性，其正向导电能力是 Ni/Schottky 二极管的两倍多。通过电子衍射（ED）分析对 NiO 掺杂二极管表面进行了评估。NiO 掺杂区的衍射图案与 Ga₂O₃ 衬底相似，但仍存在一定差异。研究认为 NiO 掺杂工艺会在掺杂区域产生受主。研究者期望所提出的概念能够用于制造双极 Ga₂O₃ 器件以及其他具有实用受主层的双极化合物半导体。

        本研究通过 Ni 离子注入结合两步退火（低温 O-PA 与高温 O₂-RTA）在 Ga₂O₃ 中成功形成了结晶化的 NiO 掺杂层。尽管该层呈现较高电阻率，推测源于深受主能级，但其依然保持单晶特性并发挥 p 型导电作用。优化退火条件下制备的 NiO 掺杂二极管表现出 74 A/cm² 的正向电流密度和接近 Ga₂O₃ 内建电势的结特性，明显优于同基底 Ni/Schottky 二极管。结构与成分分析进一步证实，该层为厚度约 0.1 μm 的 NiO/Ga₂O₃ 晶体薄层，能够有效实现空穴注入。综上，所提出的工艺利用常规离子注入和退火方法实现了 Ga₂O₃ 中实用 p 型层的制备，为双极型 Ga₂O₃ 器件及其他化合物半导体的拓展应用提供了新的可行途径。

图1 Ga₂O₃ 受主掺杂的概念示意图。(a) Ga₂O₃ 衬底；(b) Ni 离子注入；(c) (1) O活化，(2) O₂氧化与退火以实现结晶；(d) 材料浓度分布。

图2 在 Ga₂O₃ 衬底中注入的 Ni 深度和浓度分布。

图3 对 Ni（1×10¹⁸ cm⁻³）注入的 β-Ga₂O₃ 衬底及其退火后样品的 SR 分析：(a) 注入 Ni 后的情况；(b) 经 O-PA（300 °C，1 h）处理后的情况；(c) 经 O-PA（300 °C，4 h）处理后的情况；(d) 经 O₂-RTA（500 °C，10 min）处理后的情况。

图4 β-Ga₂O₃ 的扩展电阻测试结果：(a) 注入 Ni（1×10¹⁸ cm⁻³）；(a-1) 注入后情况，(a-2) 经 O-PA 处理后情况。 (b) 注入 Ni（1×10²⁰ cm⁻³）；(b-1) 注入后情况，(b-2) 经 O-PA 处理后情况。

图 5 Ni 注入并经氧等离子体退火处理的 Ga₂O₃ 与未处理的 Ga₂O₃ 表面（AFM）。(a) Ni 注入（1×10²⁰ cm⁻³）并经 O-PA（300 °C × 1 h）处理后的图示，(b) 未处理的 Ga₂O₃ 表面。

图6 测试二极管的电压和电流特性评估。

图7 部分选定物质的能量势：Ga₂O₃、NiO、Ni 和 Ti。

图 8. 样品 A2 的 SIMS 与 SR 分析：Ni 注入浓度为 1 × 10²⁰ cm^-3，经 O-PA（300 °C，1 h）及 O₂-RTA（950 °C，10 min）处理。(a) SIMS 数据；(b) SR 数据与构造。

图 9. 样品 A2 的 TEM 与 ED 分析：Ni 注入浓度为 1 × 10²⁰ cm^-3，经 O-PA（300 °C，1 h）及 O₂-RTA（950 °C，10 min）处理。(a) TEM 数据；(b) ED 数据。

DOI：

doi.org/10.1063/5.0282789