【国内论文】台湾阳明交通大学研究团队利用离子注入技术异外延生长同结氧化镓 PN 二极管

        近日，台湾阳明交通大学的研究团队在学术期刊Materials Today Advances发布了一篇名为Heteroepitaxially grown homojunction gallium oxide PN diodes using ion implantation technologies（利用离子注入技术异外延生长同结氧化镓 PN 二极管）的文章。

摘要

        尽管氧化镓 (Ga₂O₃) 的 n 型和 p 型掺杂技术已经取得了一些进展，但实现功能性 pn 二极管仍然具有挑战性。本文展示了利用离子注入技术成功制备 Ga₂O₃ pn 二极管的研究成果。Ga₂O₃ 外延层通过金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 在 c 面蓝宝石衬底上生长。通过磷 (P) 离子注入并结合快速热退火 (RTA) 工艺，实现了 p 型导电性的 Ga₂O₃ 外延层，且霍尔效应分析确认了 p 型导电性。该 p-Ga₂O₃ 外延层的电阻率显著降低（<10⁶），表明磷成功掺入并在晶格中被激活。X 射线衍射分析显示 Ga₂O₃ 外延层具有高晶体质量。尽管 Ga₂O₃ 的晶体质量在 P 离子注入后略有下降，但经过 RTA 处理后结构恢复至高质量晶体。

        在器件结构方面，首先形成 p 型 Ga₂O₃，然后再生长 n 型 Ga₂O₃，形成 pn 结二极管。结果表明，从模拟、I–V 测试和 C–V 测试中分别获得了 4.8 V、4.2 V 和 4.308 V 的内建电压。对于生长在蓝宝石衬底上的横向 pn 二极管，还获得了 900 V 的高击穿电压。关于温度稳定性，Ga₂O₃ pn 二极管的 I–V 曲线在 25 °C 到 150 °C 的范围内每隔 25 °C 进行测量。在高温下，无论是正向还是反向偏压，电流均逐步增加。这可能是由于在给定偏压下，扩散和漂移电流占主导地位而非复合电流。此外，当二极管在 150 °C 下工作时，反向电流饱和 (@V > 3kT/q) 并保持在 2✕10^-8 A 的低值。这种情况可能是由于 Ga₂O₃ 为宽带隙材料所致。

图 1.（a）Ga₂O₃ pn 二极管结构示意图；（b）用光学显微镜观察到的 pn 二极管；（c）器件总横截面；（d）用 TEM 测量到的 P 植入面积。