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工作简介
近日，中科院上海微系统所异质集成XOI课题组在异质集成氧化镓材料制备和缺陷分析方面取得进展。基于“万能离子刀”剥离和改良后的亲水性键合工艺实现无定型层为1.2 nm的异质界面构筑。由于H离子的注入，氧化镓薄膜中产生了E3深施主能级的GaO反位缺陷，β-Ga2O3/SiC肖特基二极管在高压反偏下的电流输运机制转变为Poole-Frenkle发射。相关研究成果以“Current transport mechanism of lateral Schottky barrier diodes on β-Ga2O3/SiC structure with atomic level interface”为题发表在Applied Physics Letters期刊上。论文的共同第一作者分别为上海微系统所的博士后徐文慧和博士生沈正皓，论文通讯作者为上海微系统所游天桂研究员和欧欣研究员。
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研究背景
万能离子刀”智能剥离是解决氧化镓散热瓶颈的关键技术，基于该技术制备的氧化镓异质集成材料已被广泛应用于高性能氧化镓功率和射频器件制备研究。然而，键合过程导致的界面无定型层会阻碍材料散热能力的提升，且界面缺陷会造成器件性能下降。更重要的是，在不考虑高温后退火恢复晶格质量的前提下，材料制备过程H离子注入在β-Ga2O3薄膜中产生的缺陷类型及其对载流子及器件性能的影响机制尚不清晰，这限制了氧化镓异质集成材料质量和器件性能的提升。本工作利用改良的亲水性键合技术有效降低界面无定型层厚度，提高了界面质量，并基于变温C-V、I-V和DLTS深入研究了H离子注入对β-Ga2O3/SiC异质SBDs器件电流机制的影响，这为进一步提升β-Ga2O3/SiC功率和射频器件性能提供了理论指导和技术支撑。
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研究亮点
上海微系统所异质集成XOI课题组利用“万能离子刀”智能剥离转移技术制备了高质量异质界面的β-Ga2O3/SiC材料，其界面无定型层厚度仅为1.2 nm，经过机械化学抛光表面处理后，薄膜表面粗糙度达到0.229 nm，这将为后续高性能器件制备提供可靠的β-Ga2O3异质集成材料。
通过对GaOSiC SBD器件的C-V特性测试发现，如图2(a)，H离子注入对β-Ga2O3薄膜中的载流子钝化效果明显，剥离转移后的β-Ga2O3薄膜载流子浓度在室温下为8.8×1016 cm-3, 仅为H离子注入前β-Ga2O3体晶圆载流子浓度的8%。进一步通过变温反偏I-V测试发现，电流输运与反偏电压有关。在较低电场（Vbais<3 V）时，电流遵循热发射模型输运机制；而在高电场下的非饱和电流表明电子在输运过程中存在更低的势垒，如图2(b)所示。
GaOSiC SBD的反偏电流与电压变化趋势与体材料SBD反偏行为有差异，由此可推断是由H离子注入产生的缺陷导致的。因此，在本研究应用了基于俘获载流子的电场增强热发射的Poole-Frenkel发射模型。如图3 (a)所示，这一模型很好地拟合了GaOSiC SBD在高场下的反偏电流与电压变化趋势。在高场下，由于陷阱势垒降低，供体中心的场辅助热电子发射增加了 β-Ga2O3 导带中的自由电子，导致漏电流增加，其输运机制如图3 (b)所示。已有研究成果表明，高能质子辐照会大幅度增加能级为E3的深能级GaO反位缺陷浓度，导致β-Ga2O3载流子浓度的下降。通过Poole-Frenkel发射模型拟合可得，该缺陷能级位置距离导带低1.03 eV，与β-Ga2O3E3深施主缺陷能级一致。因此可得， H离子的注入会导致β-Ga2O3中产生大量的深能级施主陷阱，进一步钝化了薄膜载流子浓度并使得器件的输运机制在高场下发生改变。为了深入验证该缺陷位置和浓度的准确性，本研究利用DLTS测试提取了GaOSiC SBD的主要缺陷类型，其结果与Poole-Frenkel发射模型拟合得到的结果一致。
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总结与展望
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原文传递
