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【国际论文】日本立命馆大学：利用平面视图阴极荧光无损评估加工后 β-Ga₂O₃ 的缺陷深度分布
日期：2026-09-29阅读：206
由日本立命馆大学的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为Nondestructive estimation of defect-depth distribution in processed β-Ga₂O₃ using plan-view cathodoluminescence（利用平面视图阴极荧光无损评估加工后 β-Ga₂O₃ 的缺陷深度分布）的文章。
背 景
β-Ga₂O₃ 是超宽禁带半导体，单斜 β 相热稳定性好，禁带宽度约 4.7-4.9 eV，在功率电子与光电器件领域应用前景广阔。n 型导电一般通过掺入硅（Si）等 IV 族元素实现。离子注入与后续激活退火是获得理想器件特性的关键工艺，但即使经过高温退火，也难以完全去除注入引入的损伤；激活退火还会使掺杂原子扩散，并驱动点缺陷向器件内部更深的方向扩散。点缺陷的深度分布强烈影响垂直功率器件的性能。此外，干法刻蚀等图形化工艺也会在器件中引入非预期的点缺陷。因此，高灵敏的缺陷深度分布评估方法对离子注入、退火、图形化等器件工艺优化具有重要意义。
阴极荧光（CL）表征超宽禁带半导体具有独特优势：电子束能量超过禁带宽度，且空间分辨率高于微区光致发光。通过改变电子束能量可以获得深度分辨信息，但多数研究仅停留在多层结构的定性分析；截面 CL 虽可获得缺陷深度分布，却属于破坏性表征，难以满足器件工艺优化与失效分析对无损检测的需求。
本文针对加工后的 β-Ga₂O₃ 开展平面视图 CL 研究，建立描述 CL 强度随电子束能量变化的物理模型，综合考虑深度-剂量函数、表面复合效应与 CL 强度保留函数，实现非辐射复合中心深度分布的无损提取，并与破坏性截面 CL 结果进行对照验证。
主要内容
本文提出一种利用平面视图阴极荧光（CL）无损评估加工后 β-Ga₂O₃ 损伤深度的方法。为估算非辐射复合中心的深度分布，本研究将深度-剂量函数与表面复合效应纳入考量，建立了描述阴极荧光强度随电子束能量变化的物理模型。将该方法应用于硅（Si）离子注入的 β-Ga₂O₃ 样品，估算得到的缺陷分布与截面阴极荧光测量结果合理吻合。在干法刻蚀样品中，缺陷集中分布的深度比离子注入样品更浅。该方法能够无损估算缺陷深度分布，适用于器件工艺优化与器件失效分析。
创新点
① 提出无损表征方法：利用平面视图阴极荧光评估加工后 β-Ga₂O₃ 的损伤深度，无需破坏性截面制样。
② 建立 CL 强度随电子束能量变化的解析模型，综合深度-剂量函数、表面复合效应与 CL 强度保留函数。
③ 在硅（Si）离子注入 β-Ga₂O₃ 样品上完成验证，模型估算的缺陷分布与截面 CL 测量结果合理吻合。
④ 干法刻蚀样品中缺陷集中于更浅深度，与干法刻蚀所用 Ar 离子穿透深度较浅的物理事实一致。
⑤ 方法适用于器件工艺优化与器件失效分析，满足量产场景对无损表征的需求。
结 论
综上，本研究通过考虑深度-剂量函数、表面复合效应以及阴极荧光强度保留函数，建立了描述加工后 β-Ga₂O₃ 平面视图 CL 强度的物理模型。该模型能够较好地复现 CL 强度随电子束能量的变化关系。对于硅离子注入样品，模型估算得到的 CL 强度保留函数与本团队前期工作获得的截面 CL 强度分布结果合理一致。所提出的平面视图 CL 测试流程可用于无损评估加工后 β-Ga₂O₃ 的损伤深度。
图 1 (a) 原始样品；(b) 剂量为 1 × 10¹⁵ cm⁻² 且经过 1000 ℃ 退火的离子注入样品，在不同电子束能量下测得的平面视图阴极荧光谱。
图 2 采用蒙特卡罗模拟 CASINO 计算得到的 β-Ga₂O₃ 通用深度-dose 函数 g(y)；深度利用 Kanaya-Okayama 最大电子束射程做归一化；函数形式为 g(y)=34y³-44y²+13 y+1.3。
图 3 原始注入样品、800 ℃ 退火样品、1000 ℃ 退火样品以及干法刻蚀样品的估算阴极荧光强度保留函数 h(z)；h(z) 的数值越小代表非辐射复合中心的密度越高。
图 4 原始样品、原始注入样品、800 ℃ 退火样品、1000 ℃ 退火样品以及干法刻蚀 β-Ga₂O₃ 样品，阴极荧光强度随电子束能量变化的实验与计算结果对比；计算时选取约化表面复合速度 S=10、少数载流子空穴扩散长度 Lₚ=400 nm，以此很好复现全部样品的实验结果。
图 5 干法刻蚀样品的阴极荧光强度随电子束能量变化的实验与计算结果；计算改变约化表面复合速度 S 和少数载流子空穴扩散长度 Lₚ；S=10、Lₚ=400 nm 的计算条件和实验结果吻合度最佳。
DOI：
10.35848/1347-4065/aea7eb
