【国际论文】日本大阪公立大学：利用富含 N₂ (C³Πᵤ) 的射频氮等离子体对 β-Ga₂O₃ 进行低温表面氮掺杂和等离子体增强原子层沉积

        由日本大阪公立大学的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Low-temperature surface nitrogen doping and plasma-enhanced atomic layer deposition of β-Ga₂O₃ using an N₂ (C³Πᵤ) - rich rf nitrogen plasma（利用富含 N₂ (C³Πᵤ) 的射频氮等离子体对 β-Ga₂O₃ 进行低温表面氮掺杂和等离子体增强原子层沉积）的文章。

        β-Ga₂O₃ 是一种超宽禁带半导体，禁带宽度约为 4.6–4.9 eV，击穿电场可达 8 MV/cm，巴利加优值（BFOM）超过 3000，同时还可以通过 EFG、CZ 和 VB 等方法实现大尺寸单晶衬底的低成本制备，因此在下一代高压、高功率器件领域具有较大应用潜力。β-Ga₂O₃ 目前已经能够通过 Si、Sn、Ge 等元素实现较成熟的 n 型掺杂，但有效的 p 型/受主掺杂仍是限制器件结构进一步发展的关键问题。其中，Mg 和 N 虽然被广泛研究为受主掺杂元素，但理论计算表明二者的受主能级都非常深，约为 1.3 eV，在室温下难以实现有效的载流子激活；不过，受主掺杂层仍具有重要价值，可用于形成能带势垒、调控器件内部电场以及实现电流阻断等功能。相比 Mg，N 具有更低的扩散率和更高的热稳定性，因此受到持续关注。然而，现有 N 掺杂方法普遍存在较高热预算的问题，例如 N 离子注入后通常需要约 1200 °C 退火才能实现电活化，而采用 N₂O 的 MOCVD 进行 N 掺杂则需要约 900 °C 的生长温度，这些高温过程不仅增加工艺复杂度，也可能对器件结构和材料界面造成不利影响。因此，亟需开发一种能够在低温甚至室温下实现高浓度 N 掺杂，同时避免高温退火和明显等离子体损伤的新方法。本研究关注氮等离子体中的 N₂ C³Πᵤ 激发态，即 N₂ 第二正带系统（Second Positive System，SPS）相关活性分子。该激发态具有超过 10 eV 的高势能，在非平衡等离子体中具有很高反应活性；此前在 Si 等材料上的研究已经表明，利用 N₂ (C³Πᵤ）激发态可以在室温下实现氮化，并具有类似 Langmuir 吸附模型的自限制特征，同时由于该过程主要利用中性激发分子，可以有效降低离子轰击造成的表面损伤。基于此，该团队构建了一种能够在衬底附近狭小空间内同时实现 RF 等离子体放电和 ALD 沉积的 rf plasma-ALD 混合系统，利用以 N₂ (C³Πᵤ）激发态为主的氮等离子体，在室温下对 β-Ga₂O₃ 进行表面 N 掺杂，并进一步将该等离子体用于低温 PEALD，实现 N 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜的生长，从而探索一种低热预算、低损伤和高浓度 N 掺杂的 β-Ga₂O₃ 制备路线。

        作为宽禁带半导体，β-Ga₂O₃ 面临的主要挑战之一是如何实现有效的氮掺杂。在本研究中，该团队提出了一种低热预算的氮化工艺，该工艺利用了分子激发态氮物种 N₂ (C³Πᵤ)，该物种对应于 N₂ 第二正系统，其发射主要在氮等离子体中被观测到。尽管此类激发态主要见于大气压非平衡等离子体中，但该团队成功地在射频氮等离子体中产生了 N₂ (C³Πᵤ) 激发态。利用该射频氮等离子体，该团队研究了 β-Ga₂O₃ 衬底的低温氮掺杂，以及氮掺杂 β-Ga₂O₃ 的等离子体增强原子层沉积（PEALD）生长。室温等离子体辐照使表面约 4 nm 深度范围内氮掺杂浓度达到约 1×10¹⁹ cm⁻³。对肖特基势垒二极管的电学表征表明，掺入的氮在无需后续退火的情况下即可作为电学活性掺杂剂发挥作用。此外，在 213 °C 下进行的 PEALD 生长实现了 10¹⁹ cm⁻³ 量级的均匀氮掺杂。

        ①开发以 N₂ (C³Πᵤ) 激发态为主的 RF 氮等离子体，实现 β-Ga₂O₃ 低温N掺杂。

        ②实现室温、高浓度、低损伤的表面N掺杂。

        ③证明引入的 N 能够形成 Ga–N 化学键，并具有电活性。

        ④将该氮等离子体进一步应用于 PEALD，实现低温 N 掺杂 β-Ga₂O₃ 薄膜生长。

        ⑤实现低温外延生长，为低热预算 β-Ga₂O₃ 器件制造提供新路线。

        该团队成功开发了一种 plasma-ALD 混合系统，该系统利用在以 N₂ SPS 发射为主的射频氮等离子体中、基板附近产生的高反应性 N₂ (C³Πᵤ) 激发态实现氮掺杂，这与需要高温退火的传统方法不同。室温等离子体辐照在 β-Ga₂O₃ 表面约 4 nm 范围内实现了非破坏性氮掺杂，浓度达 10¹⁹ cm⁻³。电学表征表明，表面形成的超薄氮掺杂层在无需后续退火的情况下引入了电活性态，从而导致带隙偏移增大、耗尽区向体区扩展以及导通电压升高。此外，在 213 °C 下进行 PEALD 生长可实现氮元素的均匀掺入。氮浓度表现出自限性行为，这归因于 N₂ (C³Πᵤ) 激发态的高反应性。在 (-201) β-Ga₂O₃ 衬底上成功实现了外延生长，这证明了利用富含 N₂ (C³Πᵤ) 的射频氮等离子体进行低温氮掺杂和 PEALD 生长的可行性，可用于制造下一代低损伤功率器件。