铸造法 β-Ga₂O₃ (100) 面缺陷的电子特性：现象与机理

摘要：本研究得到以下项目的支持：中国国家重点研发计划（2024YFE0205300）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2023C01193）、国家自然科学基金（22205203）、浙江省自然科学基金（LZ25E070001）、国家高层次青年人才支持计划，以及杭州

由浙江大学联合浙大科创中心杨德仁院士的研究团队在学术期刊Applied Surface Science 发布了一篇名为 Electronic properties of defects on the (100) casting β-Ga2O3: Phenomena and mechanisms（铸造法 β-Ga2O3 (100) 面缺陷的电子特性：现象与机理）的文章。

项目支持

本研究得到以下项目的支持：中国国家重点研发计划（2024YFE0205300）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2023C01193）、国家自然科学基金（22205203）、浙江省自然科学基金（LZ25E070001）、国家高层次青年人才支持计划，以及杭州市高层次创新创业团队引进计划（TD2022012）。

背景

本研究在（100）方向铸造生长的 β-Ga2O3 中，通过使用 30 wt% KOH 腐蚀液揭示了三类缺陷。利用原子力显微镜（AFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）对这些缺陷的三维形貌及电子特性进行了系统表征。结果显示，空洞具有最大的局部势能差，其次为位错缺陷和应变相关缺陷。此外，对肖特基势垒二极管（SBD）进行发射显微镜（EMMI）成像表明，反向漏电流与晶体缺陷类型密切相关：空洞在反向偏置下是主要的漏电通道，其次为位错缺陷和应变相关缺陷，这与 KPFM 结果一致。值得注意的是，本研究首次证明应变相关缺陷会降低 SBD 的击穿性能，凸显了在晶体生长及晶圆加工过程中缺陷控制的重要性。最后，通过结合不同缺陷的局部势能差和带结构中的隧穿电子模型，对缺陷引起的漏电机制进行了合理解释。本研究加深了对 β-Ga2O3 衬底中缺陷诱导电子行为的理解，明确了其对电学性能的影响，并为优化晶体生长及提升功率器件性能提供了关键指导。

主要内容

在本研究中，利用 30 wt% KOH 腐蚀剂揭示了铸造生长 (100) β-Ga2O3 上的三类缺陷。通过原子力显微镜 (AFM) 和开尔文探针力显微镜 (KPFM) 对这些缺陷的三维形貌和电子特性进行了系统表征。结果表明，空洞具有最大的局域电势差，其次是位错和应变相关缺陷。进一步地，肖特基二极管 (SBD) 的发光显微成像 (EMMI) 证实了反向漏电流与晶体缺陷类型直接相关：在反偏条件下，空洞是主要的漏电通道，其次为位错和应变相关缺陷，这与 KPFM 的结果一致。值得注意的是，本研究首次证明应变相关缺陷会降低 SBD 的击穿性能，凸显了晶体生长和晶圆加工过程中缺陷控制的重要性。最后，基于不同缺陷的局域电势差，结合能带结构中的隧穿电子模型，对缺陷处的漏电机理进行了合理解释。本研究加深了对 β-Ga2O3 衬底中缺陷诱导电子行为的理解，阐明了其对电学特性的影响，并为优化晶体生长和提升功率器件性能提供了关键指导。

创新点

● 使用 KPFM 分析了 (100) β-Ga2O3 上的三类缺陷，并通过在调制偏压下的 EMMI 进行了验证。

● 首次报告应变相关缺陷会降低击穿电压，凸显缺陷控制的关键性。

● 空洞被确定为主要漏电通道，其次为位错和应变相关缺陷。

● 结合缺陷的局域电势差与隧穿电子模型，对缺陷漏电机理进行了阐释。

结论

本研究利用 AFM 和 KPFM 系统地表征了由 30 wt% KOH 溶液蚀刻的 (100) β-Ga2O3 上三类蚀刻坑的形貌与电学特性。首次发现，应变相关缺陷表现出电活性，补充了此前对空洞和位错相关缺陷电学行为的理解。结果显示，空洞由于存在施主态并在蚀刻坑核心积累大量电子，产生最大的局域电势差。此外，位错相关蚀刻坑核心的施主态引入的局域电势差约为应变相关缺陷的两倍。进一步地，EMMI 技术用于验证缺陷对 SBD 击穿的影响，而传感器验证超出本研究范围，将在未来工作中进行。研究发现，三类缺陷均可导致 SBD 提前击穿，其中空洞显著降低 SBD 的击穿电压，通过 EMMI 可直接观察到漏电路径。在无空洞器件中，漏电流显著减小。在此情况下，位错和应变相关缺陷随着反向偏压增加依次导致漏电，与 KPFM 结果一致。三类缺陷对 SBD 击穿的影响可通过缺陷局域电势差结合能带结构中的隧穿电子机制得到合理解释。位错和应变缺陷通过施主态调节费米能级，引起能带弯曲并增强隧穿概率；相比之下，空洞核心的正负电势差结合电场强度集中产生隧穿效应，即电子积累漏电机制，解释了 SBD 在空洞位置易发生击穿的现象。这些结果确定了缺陷对器件击穿影响的顺序：空洞 > 位错 > 应变，并强调在晶体生长及后续晶圆加工过程中需控制这三类缺陷。本工作加深了对 (100) β-Ga2O3 中缺陷驱动电子传输的理解，为其在超高功率器件中的应用提供了直接支持。