由日本名古屋大學(xué)的研究團隊在學(xué)術(shù)期刊 Journal of Applied Physics 發(fā)布了一篇名為 p-type layer formation study for Ga₂O₃ by employing Ni ion implantation with two-step oxygen plasma and thermal annealing（利用 Ni 離子注入結(jié)合兩步氧等離子體處理和熱退火研究 Ga₂O₃ 的 p 型層形成）的文章。

1. 背景

Ga₂O₃ 被認(rèn)為是下一代高效功率器件的潛力材料，其 Baliga 優(yōu)值 (BFOM) 在單極器件中僅次于金剛石，優(yōu)于 Si、SiC 和 GaN。對于化合物半導(dǎo)體而言，晶體質(zhì)量及 p 型受主層和 n 型施主層的實用化制備技術(shù)，是器件多樣化與規(guī)?；年P(guān)鍵。目前，SiC 肖特基二極管已逐步應(yīng)用于逆變器，但其高成本與高溫加工工藝限制了市場拓展，同時 SiC 在雙極 pn 結(jié)器件中存在退化問題。相比之下，Ga₂O₃ 兼容熔融生長方法，成本更低，但實用的雙極 pn 二極管尚未實現(xiàn)。已有研究提出在 Ga₂O₃ 襯底上沉積 p 型 NiO 異質(zhì)層，并嘗試了多種工藝（如濺射、脈沖激光沉積、多元醇還原和 Ni 合金化），證明其在電場弛豫和空穴注入中具有潛力。然而，濺射 NiO 薄膜難以在分子尺度上與 Ga₂O₃ 保持均勻穩(wěn)定接觸，類似于 Si 器件中非熱氧化 SiO_x 層的局限。鑒于此，本研究參考 Si 熱氧化過程，旨在探索一種可廣泛適用于 Ga₂O₃ 器件的實用 p 型功能層，用于空穴注入與結(jié)穩(wěn)定化。

2. 主要內(nèi)容

本文展示了在氧化鎵（Ga₂O₃）中形成穩(wěn)定局部或平面型 p 型層的情況。研究者的理念是使用氧化鎳（NiO）作為摻雜劑。該工藝包括：將 ⁵⁸Ni 離子注入氧化鎵襯底，隨后激活并改善注入的 ⁵⁸Ni 的結(jié)晶度，通過低溫氧自由基等離子體退火（O-PA）和氧氣快速熱退火（O₂-RTA）形成 NiO 摻雜層。為驗證該概念的可行性，研究者進行了基本實驗。結(jié)果表明，O-PA 比 O₂-RTA 更有效地修復(fù)了 ⁵⁸Ni 注入所引起的損傷。本文展示了使用 Ga₂O₃ 襯底制造的 Ga₂O₃ 二極管結(jié)構(gòu)的典型層評估結(jié)果，包括正向和反向電學(xué)特性 ["NiO 摻雜："Ni/Ga₂O₃：NiO(p)/ Ga₂O₃：Sn (n)/Ti，和 "Ni/Schottky："Ni/Ga₂O₃：Sn (n)/Ti]。其中，NiO 摻雜二極管采用最高 Ni 注入濃度 10²⁰ cm^-3，并在 O-PA 和 O₂-RTA 處理后制備而成。采用兩步退火（低溫 O-PA（300°C，1 小時）和 O₂-RTA（950°C，1 小時））處理的 NiO 摻雜二極管表現(xiàn)出明顯的雙極整流特性，其正向?qū)щ娔芰κ?Ni/Schottky 二極管的兩倍多。通過電子衍射（ED）分析對 NiO 摻雜二極管表面進行了評估。NiO 摻雜區(qū)的衍射圖案與 Ga₂O₃ 襯底相似，但仍存在一定差異。研究認(rèn)為 NiO 摻雜工藝會在摻雜區(qū)域產(chǎn)生受主。研究者期望所提出的概念能夠用于制造雙極 Ga₂O₃ 器件以及其他具有實用受主層的雙極化合物半導(dǎo)體。

3. 結(jié)論

本研究通過 Ni 離子注入結(jié)合兩步退火（低溫 O-PA 與高溫 O₂-RTA）在 Ga₂O₃ 中成功形成了結(jié)晶化的 NiO 摻雜層。盡管該層呈現(xiàn)較高電阻率，推測源于深受主能級，但其依然保持單晶特性并發(fā)揮 p 型導(dǎo)電作用。優(yōu)化退火條件下制備的 NiO 摻雜二極管表現(xiàn)出 74 A/cm² 的正向電流密度和接近 Ga₂O₃ 內(nèi)建電勢的結(jié)特性，明顯優(yōu)于同基底 Ni/Schottky 二極管。結(jié)構(gòu)與成分分析進一步證實，該層為厚度約 0.1 μm 的 NiO/Ga₂O₃ 晶體薄層，能夠有效實現(xiàn)空穴注入。綜上，所提出的工藝?yán)贸Ｒ?guī)離子注入和退火方法實現(xiàn)了 Ga₂O₃ 中實用 p 型層的制備，為雙極型 Ga₂O₃ 器件及其他化合物半導(dǎo)體的拓展應(yīng)用提供了新的可行途徑。