【国际论文】MTP丨印度查谟中央大学：宽禁带半导体（GaN、4H-SiC 与 β-Ga₂O₃）中的深能级瞬态谱：方法、缺陷指纹与器件

        由印度查谟中央大学的研究团队在学术期刊 Materials Today Physics 发布了一篇名为 Deep-Level Transient Spectroscopy in Wide-Bandgap Semiconductors (GaN, 4H-SiC, and β-Ga₂O₃): Methods, Defect Fingerprints, and Device-Relevant Insights（宽禁带半导体（GaN、4H-SiC 与 β-Ga₂O₃）中的深能级瞬态谱：方法、缺陷指纹与器件层面的物理洞察）的文章。

        宽禁带（GaN、4H-SiC）与超宽禁带（β-Ga₂O₃）半导体因其高临界击穿电场等本征优势，已成为高压功率器件、射频放大及恶劣环境电子器件的首选材料；然而，宽禁带也扩大了深阶电子能级的分布空间，这些深阶缺陷（如捕获载流子、补偿掺杂、作为复合中心等）会恶化器件的导通电阻、漏电流、开关稳定性及长期可靠性。因此，准确识别与量化深阶缺陷是材料及器件评估的前置条件，而深能级瞬态谱（DLTS）及其衍生技术家族作为最灵敏的电学探测手段，能够跨越三种主流半导体材料，对决定器件性能与可靠性的缺陷提供精确的能级、捕获截面及浓度信息。

        深能级缺陷决定了基于宽禁带和超宽禁带半导体的功率和射频器件的效率、稳定性和可靠性。深能级瞬态光谱（DLTS）及其变体仍是这些状态最灵敏的电学探针，能够以高达掺杂密度 10⁵ 分之一的灵敏度解析陷阱激活能、俘获截面和浓度。本综述在单一比较框架内整合了三种主要宽禁带体系（氮化镓（GaN）、4H 碳化硅（4H-SiC）和 β 相氧化镓（β-Ga₂O₃））的 DLTS 衍生缺陷图谱。该团队首先阐述了围绕传统电容 DLTS 发展起来的测量物理和方法体系：高分辨率拉普拉斯 DLTS、电流和漏电流 DLTS、少数载流子和光学瞬态光谱、深能级光学光谱、导纳光谱以及适用于超宽禁带的高温 DLTS。然后，该团队列出了每种材料已建立的缺陷指纹：4H-SiC 中的碳空位 Z_1/2 和 EH_6/7 寿命杀手以及 HK/UK 空穴陷阱系列；GaN 中的 E1/E2/E3 电子陷阱、铁（Fe）和碳（C）相关中心以及与黄光发射相关的状态；以及 β-Ga₂O₃ 中的 E1/E2/E2^*/E3 多数陷阱、主要的 E_C−2.0 eV 补偿中心和镓空位空穴陷阱。通过跨材料综合分析，确定了哪些分配是安全的，哪些是基于实验-理论一致性的，以及哪些仍有争议。该团队将特定陷阱与器件病态联系起来：GaN 晶体管中的电流崩塌和动态导通电阻；SiC 中的寿命限制和阈值不稳定性；Ga₂O₃ 中的载流子去除和辐射响应；最后，指出了限制深能级化学识别的方法和材料挑战。本文提供了一个详尽的、单独引用的表格，列出了三种材料中 DLTS 检测到的缺陷，作为参考资源。

        ①跨材料统一对比框架：将成熟的 4H-SiC、发展中的 GaN 以及前沿的超宽禁带 β-Ga₂O₃ 纳入同一对比框架，系统总结并对比了三种材料的缺陷特征（Fingerprints）、演变轨迹及其物理机制。

        ②DLTS 技术家族全景梳理：详细阐述了传统电容 DLTS（C-DLTS）及其衍生方法（包括高分辨率 Laplace DLTS、电流/漏极电流 DLTS、光/少子瞬态谱 MCTS/ODLTS、深能级光谱 DLOS、导纳光谱及高温 HT-DLTS）的测量物理、互补作用与适用场景。

        ③建立核心缺陷“指纹”数据库：

        4H-SiC： 明确了控制载流子寿命的核心缺陷——碳空位相关中心（Z_1/2 和 EH_6/7），以及 HK/UK 孔穴陷阱系列和辐射/工艺诱导缺陷。

        GaN： 梳理了主导的 E1/E3 电子陷阱、Fe/C 相关中心，以及与黄光发光（Yellow Luminescence）密切相关的 C_N 受体陷阱。

        β-Ga₂O₃： 总结了 E1/E2/E3 电子陷阱、主导载流子补偿的 E_C-2.0 eV 关键中心、Fe 替代受体及镓空位相关的空穴陷阱。

        ④深阶缺陷与器件病理的直接映射：将特定缺陷与器件的失效机制精准关联，包括 GaN 晶体管中的电流崩塌（Current Collapse）与动态导通电阻增加、SiC 中的载流子寿命限制与阈值电压不稳定性，以及 β-Ga₂O₃ 中的载流子移除（Carrier Removal）与辐射响应。

        ⑤构建“微观缺陷归属”证据链与完整数据库： 提出了结合 DLTS、EPR、PL/DLOS 及第一性原理（DFT）计算的多技术融合归属证据链，并附带了涵盖三种材料、附有独立文献引用的详尽 DLTS 缺陷参数总表（Master Fingerprint Table）。

        深能级瞬态光谱及其方法家族仍然是研究限制宽带隙和超宽带隙器件的缺陷的最具信息量的电学窗口。该技术问世五十年来，已应用于氮化镓（GaN）、4H-碳化硅（4H-SiC）和 β-氧化镓（β-Ga₂O₃），形成了如今已对其主要特征进行详细绘制的缺陷图谱：在碳化硅（SiC）中控制寿命的碳空位 Z_1/2 和 EH_6/7 中心，在氮化镓（GaN）中驱动电流崩溃和黄光发射的 E1/E3 电子陷阱和碳相关空穴陷阱，以及在 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）中控制导电和辐射响应的铁相关 E2、镓空位受主和 E_C-2.0 eV 补偿子。这些分配中最有把握的部分共享共同的证据基础，即拉普拉斯分辨率、场依赖性发射、深能级的光学访问和第一性原理计算，而最具争议的部分则是这些组合尚不完整的地方。缺陷因材料而异，但方法及其危害性并不因材料而异，其核心实用教训是统一的：电学主导的缺陷并不总是单次热扫描就能最清晰、最敏锐地观察到的缺陷，在 β-氧化镓（β-Ga₂O₃）中尤其如此。现在的进展更多地依赖于识别已知缺陷背后的原子结构，规范其参数的报告方式，以及在实际工作器件中它们实际作用的位置进行测量，而非检测新的能级。

图1. 选取的 GaN 中电子陷阱的代表性 Arrhenius 图，ln(e/T²)对 1000/T，涉及三种材料：GaN E1 和 E3、4H-SiC Z_1/2 和 EH_6/7 以及 β-Ga₂O₃（E1、E2 和 E3），展示了陷阱激活参数的提取和比较。所绘制的图具有代表性，旨在用于定性比较，而非作为定量数据库，因为表观激活能和捕获截面可能取决于拟合模型和温度范围。

图2. 深能级瞬态光谱（DLTS）方法族示意图。对反向偏置结进行脉冲操作以填充陷阱；通过速率窗相关法（传统电容-DLTS）、拉普拉斯反演法（L-DLTS）、电流检测法（I-DLTS/漏极电流 DLTS）、光注入或少数载流子注入法（ODLTS/MCTS）、光离子化法（DLOS）或频域分析法（导纳光谱）分析反向偏置恢复时的热激活电容（或电流）瞬态。每个分支都针对文中指出的特定局限性进行了改进。

图3. 典型的陷阱浓度/注入率行为与辐照注量的关系，展示了 4H-SiC 中 Z_1/2 和 EH_6/7 的 0.7 次幂依赖性，以及 β-Ga₂O₃ 中本征缺陷相关电子陷阱和 E_C-2.0 eV 补偿剂的载流子去除驱动生长。

图4. 缺陷指纹能级图，将GaN、4H-SiC 和 β-Ga₂O₃ 的主要 DLTS 和 DLOS 检测陷阱置于共同的能量轴上，该轴以每个导带最小值（电子陷阱）和价带最大值（空穴陷阱）为参考，并采用相同的比例尺绘制，以显示每种材料的主要电活性缺陷相对于热 DLTS 窗口的位置。

DOI：

doi.org/10.1016/j.mtphys.2026.102204