【国际论文】日本九州大学：基于TCAD的KrF准分子激光掺杂β-Ga₂O₃热仿真

        由日本九州大学的研究团队在学术期刊Japanese Journal of Applied Physics发布了一篇名为Thermal simulation of KrF excimer laser doping into β-Ga₂O₃ based on TCAD（基于 TCAD 的 KrF 准分子激光掺杂β-Ga₂O₃ 热仿真）的文章。

        随着全球环境问题日益突出，高效电力电子技术成为实现低碳社会的关键支撑。数十年来，硅基功率器件凭借成熟的制备工艺占据市场主导地位，然而传统硅基功率器件的性能已逐渐逼近其物理极限，难以满足更高效率、更高功率密度的应用需求。因此，新型宽禁带半导体材料的研发成为重点研究方向。以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）和氧化镓（Ga₂O₃）为代表的下一代宽禁带半导体，凭借优异的物理特性展现出巨大应用潜力。其中，β-Ga₂O₃ 的禁带宽度达 4.7~4.9 电子伏特，绝缘击穿电场强度约为 8 MV/cm，在高功率应用场景中表现优于碳化硅和氮化镓。此外，采用熔体生长法可低成本制备高质量 β-Ga₂O₃ 单晶，使其成为极具前景的下一代功率半导体材料。但要在实际器件中发挥这些优势，仍面临诸多挑战，其中核心问题为金属 / 氧化镓界面因肖特基势垒存在而产生的高接触电阻。经验证，降低该接触电阻的有效方法是在半导体表面制备重掺杂 n 型区域，以实现欧姆接触特性。

        本文开展了以 SnO₂ 为表层掺杂源，利用 KrF 准分子激光实现 Sn 向 β-Ga₂O₃ (010) 衬底掺杂的热模拟研究。研究中在多种工艺条件下开展了激光掺杂实验，并完成了工艺计算机辅助设计（TCAD）仿真，同时对实验与仿真结果进行了对比分析。瞬态温度场分析结果表明，单个激光脉冲会在衬底浅表面区域（亚微米级）诱导产生强且瞬态的温度峰值（持续约 100 nm）。在 1000 Hz 高重复频率下，脉冲间的冷却过程不完全，会导致衬底表面产生显著的热累积效应，使得 0.3 J/cm² 激光通量下的 Sn 原子扩散作用显著增强；而在 100 Hz 频率下，该扩散效应则可忽略不计。研究基于仿真得到的温度结果估算出了 Sn 原子的扩散长度，其数值与 Sn 原子的深度分布特征高度吻合。上述结果证实，基于 TCAD 的热仿真方法能够有效表征 β-Ga₂O₃ 准分子激光掺杂过程中的温度场分布及掺杂原子扩散行为。

        ●首次针对性建立了以 SnO₂ 为表层掺杂源的 KrF 准分子激光掺杂 β-Ga₂O₃ (010) 的 TCAD 热仿真体系，将激光掺杂实验与热仿真分析深度结合。

        ●明确了 KrF 激光脉冲在 β-Ga₂O₃ 浅表面的瞬态热特性与频率依赖的热累积效应, 厘清了激光频率对 β-Ga₂O₃ 激光掺杂热过程的调控机制。

        ●通过仿真温度结果定量估算出 Sn 原子扩散长度，且该数值与实验测得的 Sn 原子深度分布高度吻合，首次验证了基于 TCAD 的热仿真方法对 β-Ga₂O₃ 准分子激光掺杂过程的适用性。

        本研究通过 TCAD 仿真模拟了 KrF 准分子激光辐照诱导的瞬态温度场，明确了温度的时空演化规律及其对 Sn 原子向 β-Ga₂O₃ 扩散的影响，并验证了前期实验提出的热累积作用机制。

        单脉冲激光辐照下，仿真得到的温度分布呈现出极瞬态（纳秒级）、高局域化（亚微米级） 特征，表明激光诱导的温度场仅局限于衬底极浅的表面区域，且会快速消散。多脉冲辐照条件下，将仿真温度结果与实验观测到的表面形貌变化进行对比，验证了本研究构建热模型的有效性；同时进一步明确，高重复频率、大脉冲数条件下产生的热累积效应，会显著提高 Sn 原子的有效扩散系数、延长热作用时间，即便在 Sn 原子扩散的亚阈值通量下，也能使 Sn 原子扩散长度实现一个数量级的提升。

图1 激光辐照实验装置

图2 仿真所用物理模型及能量传递路径

图3 样品表面（红色）及100 nm（蓝色）、200 nm（绿色）、1 μm（橙色）不同深度处的仿真温度随时间变化曲线

图 4 单脉冲辐照下的表面瞬态温度响应 (a) 0~5 微秒，(b) 0.0001~0.1 秒。图 (b) 中蓝色、绿色、橙色方块分别为 0.001 秒、0.01 秒、0.1 秒时刻的测试数据

图 5 多脉冲辐照下的表面温度变化结果：0.3 J/cm²、100 Hz（紫色），0.3 J/cm²、1000 Hz（绿色），0.4 J/cm²、100 Hz（蓝色），0.4 J/cm²、1000 Hz（红色）。虚线分别为 β-Ga₂O₃（橙色）和SnO₂（蓝绿色）的熔点。

图 6 不同条件下深紫外激光辐照实现 Sn 掺杂 β-Ga₂O₃的二次离子质谱深度分布曲线：(a) 重复频率 100 Hz、脉冲数 10 次时不同激光通量（0.3、0.4、0.5、0.6 J/cm²）的对比；(b) 重复频率 100 Hz、脉冲数 10 次时不同激光通量（0.3、0.4、0.5、0.6 J/cm²）下镓离子的强度变化；(c) 激光通量 0.3 J/cm²、重复频率 100 Hz 时不同脉冲数（1000、10000、30000 次）的对比；(d) 激光通量 0.3 J/cm²、重复频率 1000 Hz 时不同脉冲数（1000、10000、30000 次）的对比。

DOI：

doi.ora/10.35848/1347-4065/ae54ee