Sn掺杂β-Ga₂O₃半导体的缺陷与导电性的正电子湮没谱学研究

芯片是科技领域的“皇冠”，半导体的性能参数直接决定着芯片的性能。自2020年以来，美国连续发布了十多项对中国的半导体几乎全产业链的制裁措施，中国也相应的对美国进行了半导体材料的出口管制。

β-Ga₂O₃作为一种新兴的第四代半导体材料，拥有超宽禁带（4.5-4.9 eV）、大击穿电压、耐高温和抗辐照等诸多优异的性能，展现出巨大的应用前景。为了提高β-Ga₂O₃的n型导电性质，实验上主要是通过Si、Ge、Sn等元素进行掺杂的方法提高β-Ga₂O₃的载流子浓度。但是在大部分实验中，β-Ga₂O₃的载流子浓度要小于掺杂浓度，这表明β-Ga₂O₃中存在着影响导电性质的缺陷。为了发展β-Ga₂O₃半导体器件性能，深入研究缺陷与宏观导电性质的影响至关重要。正电子在半导体中的湮灭过程对晶体结构、缺陷分布、动量分布和电子密度分布高度敏感，正电子湮没实验可为β-Ga₂O₃材料的缺陷结构分析提供有力依据。

在国家重点研发计划“纳米科技”重点专项“研究动量空间谱学的纳米结构和纳米薄膜的多参数正电子谱学表征新方法”的支持下，中国科学技术大学粒子束交叉应用实验室利用正电子湮没谱学研究了导模法制备的三种不同Sn掺杂浓度的β-Ga₂O₃晶体。如图1(a)所示，Sn比Ga最外层电子多一个，理想情况下提供的载流子浓度应该与Sn掺杂浓度相当。但是实际情况下，载流子浓度约为Sn掺杂浓度的三分之一，这表明样品中存在着缺陷补偿载流子浓度。正电子湮没寿命实验和理论计算表明所有β-Ga₂O₃的正电子湮没研究中测量得到的175-190 ps的寿命是Ga空位的寿命，不是β-Ga₂O₃的体寿命。正电子湮没寿命推导得到的空位浓度表明三种样品中都存在高浓度的Ga空位。如图1(b)所示，补偿载流子浓度（Sn掺杂浓度减去Ga空位浓度）和Ga空位浓度的关系表明这些空位为-3价，是主要的受体缺陷。

图1.（a）载流子浓度与Sn掺杂浓度的关系，（b）补偿载流子浓度与Ga空位浓度的关系。

该工作已于2024年11月7日发表于凝聚态物理领域著名期刊《Physical Review B》，标题为《Ga vacancies as dominant intrinsic acceptors in Sn-doped β-Ga₂O₃ revealed by positron annihilation spectroscopy》(Phys. Rev. B 110, 174106 (2024))。论文的第一作者为粒子束交叉应用实验室博士生李钰环，通讯作者为徐光伟特任研究员（中国科大微电子学院）和张宏俊特任研究员。