【国际论文】韩国世宗大学：P型LiᵧNi₁₋ₓ₋ᵧMgₓO：一种在氧化镓功率器件应用中具有潜力的超宽禁带半导体

        由韩国世宗大学的研究团队在学术期刊 Journal of Magnesium and Alloys 发布了一篇名为 P-type Li_yNi_1-x-yMg_xO: A promising ultrawide bandgap semiconductor for Ga₂O₃ power devices applications（P型 Li_yNi_1-x-yMg_xO：一种在氧化镓功率器件应用中具有潜力的超宽禁带半导体）的文章。

        超宽带隙（UWBG）半导体因其高击穿电压、优异热稳定性和高能效，成为下一代功率器件的理想候选材料。β-氧化镓（β-Ga₂O₃）作为 n 型 UWBG 半导体，带隙约 4.9 eV，具有高临界电场和可调 n 型掺杂能力，并可获得大尺寸高质量衬底，显示出在高功率开关电子器件中的潜力。然而，β-Ga₂O₃ 缺乏稳定的 p 型导电性，限制了互补器件的发展。为解决这一问题，研究者尝试了多种 p 型半导体与 β-Ga₂O₃ 构建 P-N 结，包括 CuAlO₂、CuGaO₂ 和 NiO 等，但存在空穴浓度低、迁移率差或开启电压高的问题。Ni_1-xMg_xO 及其 Li 掺杂化合物（Li_yNi_1-x-yMg_xO）具有可调带隙（3.5–7 eV）、空穴浓度和迁移率，并可与 β-Ga₂O₃ 实现能带匹配，同时兼具低开启电压和高击穿电压，显示出在高性能 β-Ga₂O₃ 功率器件中的应用潜力。因此，开发可控掺杂的 Li_yNi_1-x-yMg_xO 作为 p 型超宽带隙半导体，为实现高效率、高击穿电压且低功耗的 β-Ga₂O₃ 基功率器件提供了可行路径。

        超宽带隙（UWBG）半导体对于下一代功率电子器件至关重要，相较于传统材料，它们具有更高的击穿电压、热稳定性和能效。然而，高效 p 型超宽带隙半导体的缺失一直是主要瓶颈，限制了互补器件的发展。本研究探索了 Li_yNi_1-x-yMg_xO 作为潜在的 p 型超宽带隙半导体，通过共溅射技术精确控制 Mg 含量，方法是调节 Mg 靶的功率密度。X 射线衍射（XRD）结果显示，随着 Mg 含量增加，(200) 和 (111) 衍射峰增强，表明 Mg 成功掺入 NiO 晶格。X 射线光电子能谱（XPS）进一步验证了 Mg 对 Ni 的置换。随着 Mg 靶功率密度从 0 增加到 1 W·cm^-2，光学带隙从 4.27 eV 扩展至 5.44 eV，同时光学透过率也得到改善。霍尔效应测量显示，随着 Mg 含量增加，空穴浓度下降，而空穴迁移率显著提高，在 17.80% Mg 掺杂时达到 33.39 cm²V-1s^-1。尽管高 Mg 含量会增加与 n 型 β-Ga₂O₃ 的能带对齐，但与 Li 掺杂 NiO/β-Ga₂O₃ 异质结二极管相比，17.80% Mg 掺杂薄膜表现出开启电压降低及高达 -1450 V 的击穿电压（BV）。Silvaco TCAD 仿真表明，这些变化可能源于 Mg 引入的能级促进的陷阱辅助隧穿效应，从而降低了开启电压。Li_yNi_1-x-yMg_xO 薄膜优异的电学和光学特性，以及其与 β-Ga₂O₃异质结器件的成功集成，表明该材料是未来超宽带隙功率器件中 p 型材料的有前景候选，尤其适用于与 n 型 β-Ga₂O₃ 及其他超宽带隙半导体结合的应用。

        ● 成功制备了可用于功率器件集成的超宽禁带 p 型 Li_yNi_1-x-yMg_xO 薄膜。

        ● 通过调节 Li_yNi_1-x-yMg_xO 中的 Mg 含量，实现了光学带隙从 4.27 eV 到 5.44 eV 的可调。

        ● 当 Mg 含量为 17.80% 时，获得了 33.39 cm²·V^-1·s^-1 的高空穴迁移率。

        ● 成功构建了 Li_yNi_1-x-yMg_xO/β-Ga₂O₃ 异质结，其界面清洁且界面结构清晰。

        ● 在 Li_yNi_1-x-yMg_xO 中采用 17.80% Mg 含量时，异质结二极管实现了约 1450 V 的击穿电压。

        ● 随着 Mg 含量增加，开启电压降低，从而增强了界面处的载流子注入能力。

        本研究制备并研究了一种新型 p 型超宽禁带半导体 Li_yNi_1-x-yMg_xO，用于 β-Ga₂O₃ 功率器件。薄膜通过调节 Mg 含量共溅射制备，(200) 与 (111) XRD 衍射峰强度随 Mg 增加而增强，XPS 显示 Mg 成功取代 Ni 位。HRTEM 表明界面处为多晶结构并形成过渡层。光学测试显示带隙随 Mg 增加由 4.27 eV 提升至 5.44 eV，透过率增强。霍尔测试表明，空穴浓度随 Mg 增加从 1.72 × 10¹⁸ cm^-3 降至 10¹⁶ cm^-3，而迁移率显著提升，从 0.798 cm²V^-1s^-1 增至 33.39 cm²V^-1s^-1，DFT 计算显示这是价带离域化增强导致的。XPS 能带对齐显示导带偏移随 Mg 增大而增加，影响开启电压（V_on）与击穿电压（BV）。在 5.30% Mg 时，BV = −1280 V，V_on = 1.73 V，R_on = 9.86 mΩ·cm²；在 17.80% Mg 时，BV = −1450 V，V_on = 2.34 V，R_on = 8.83 mΩ·cm²。Silvaco TCAD 模拟表明，高 Mg 含量下 Von 降低源于 Mg 诱导的陷阱辅助隧穿效应。综上，Li_yNi_1-x-yMg_xO 作为 β-Ga₂O₃ 功率器件的 p 型接触层，兼具高击穿电压、低开启电压与低导通电阻，适合用于下一代高性能功率电子器件。

图 1. 制备器件的示意图。

图 2. (a) p 型 Li_yNi_1-x-yMg_xO 薄膜的 XRD 图谱，(b) 不同 Mg 靶射 RF 功率下的 (200) 晶向，(c) 不同 Mg 靶射 RF 功率下的 (111) 晶向。

图 3. (a) LNM（0% Mg）、(b) LNM（5.30% Mg）、(c) LNM（8.57% Mg）、(d) LNM（10.29% Mg）、(e) LNM（17.80% Mg）的 AFM 图像，以及 (f) 提取的 RMS 表面粗糙度。

图 4. 不同 Mg 靶射 RF 功率下 Li 掺杂 NiO 和 Li_yNi_1-x-yMg_xO 的 XPS 分析数据，(a) XPS 总谱，(b) Ni_2p，(c) O_1s，(d) Mg_2p 与 Li_1s，(e) 各 Mg 靶功率下Li_yNi_1-x-yMg_xO 薄膜的 Ni_2p 拟合峰，(f) O_1s 拟合峰。

图 5. TEM 图像展示了不同 Mg 含量下 Li_yNi_1-x-yMg_xO/ β-Ga₂O₃ 异质结界面：(a) LNM（0% Mg）：(a1) 和 (a2) 显示界面层形成；(a3)–(a9) 为逆快速傅里叶变换（IFFT）图像，突出不同晶向；(a10) 显示对应的界面层。(b) LNM（8.57% Mg）：(b1) 和 (b2) 展示界面区域；(b3)–(b9) 为不同晶向的 IFFT 图像；(b10) 显示对应的界面层。(c) LNM（17.80% Mg）：(c1) 和 (c2) 显示界面区域；(c3)–(c9) 为不同晶向的 IFFT 图像；(c10) 突出界面层结构。

图 6. (a) Li_yNi_1-x-yMg_xO 的光学吸收，显示直接带隙，插图显示间接带隙；(b) 光学透过率；(c) 提取的 Mg 含量随 Mg 靶射 RF 功率密度的变化；(d) Li_yNi_1-x-yMg_xO 直接带隙随 Mg 含量的变化。

图 7. 室温下不同 Mg 靶射 RF 功率密度下 Li_yNi_1-x-yMg_xO 的 (a) 电阻率，(b) 空穴浓度，(c) 空穴迁移率测量结果。

图 8. 不同 Mg 掺杂浓度下 Li_yNi_1-x-yMg_xO 的态密度（DOS）与反参与率（IPR）：(a) 0%，(b) 6.25%，(c) 12.5%，(d) 18.75%，(e) 25%，(f) 31.25%。黑色实线表示总态密度，红色实线表示 Li 投影态密度，蓝色柱状表示 Li 的 IPR。正值与负值分别对应自旋向上与自旋向下态。可观察到，随 Mg 浓度增加，价带边附近的 IPR 与 DOS 均明显下降。

图 9. 不同 Mg 含量下 Li_yNi_1-x-yMg_xO/ β-Ga₂O₃ 异质结的能带对齐：(a) LNM（0% Mg），(b) LNM（5.30% Mg），(c) LNM（8.57% Mg），(d) LNM（10.29% Mg），(e) LNM（17.80% Mg），以及 (f) 导带偏移（CBO）和价带偏移（VBO）随 Mg 含量变化的对应关系。

图 10. Mg 含量对 Li 掺杂 Ni_1-xMg_xO 的影响：(a) 正向电流的对数坐标曲线（插图为线性坐标），(b) 击穿电压，以及 (c)Li_yNi_1-x-yMg_xO/ β-Ga₂O₃ 异质结二极管（HJD）的提取开启电压 (V_on) 和导通电阻 (R_on)。

DOI：

doi.org/10.1016/j.jma.2025.10.005