基于Nb掺杂的n型β-Ga2O3晶体缺陷与载流子调控机制研究

Monoclinic Gallium oxide (β-Ga2O3) crystal is a novel direct-band-gap semiconductor material. It has a bandgap of ∼4.9 eV, a high breakdown field of∼8MV/cm,and can be grown from melt. Ga2O3-based devices can have low conduction loss and high power conversion efficiency. So β-Ga2O3 is is promising for high voltage power electronics. As one of the most important branches of its performance research, controlling of n-type carrier by doping is of great importance. But the understanding of defects and compensation effect in Ga2O3 is far from complete, which make limitations for doping modification..Based on our previous research results, we will choose Nb for doping investigation and focus on the defects levels and interaction between dopants and intrinsic defects. Substituted sites, defect energy levels, controlling of carriers and reaction mechanism between defects will be discussed，and a typical theory of multiply charged cations doping will be explained. This project will be a supplement for doping modification in Ga2O3, and lay a strong foundation for new doping and application of β-Ga2O3.

单斜结构的氧化镓晶体(β-Ga2O3)是一种新型直接带隙的宽禁带半导体，具有禁带宽度大（4.9eV），击穿场强大（8MV/cm），可用熔体法直接生长等优点。以它制备的功率器件导通损耗小，转化效率高，因而在高压电力电子器件领域具有重要的应用前景。作为氧化镓材料性能研究的关键分支，n型载流子的掺杂调控具有重要意义，但人们对氧化镓晶体中掺杂缺陷与本征缺陷的相互作用及载流子调控规律的认识并不完善，制约了其进一步发展。.本项目将结合前期研究成果，选取高价Nb离子进行掺杂，针对现有掺杂理论局限性，展开多缺陷能级特性及缺陷相互作用机理的系统研究。通过对掺杂取代特性的分析、缺陷模型的建立、能级结构探索、性能调控规律及缺陷复合作用机理等方面的研究，探明高价阳离子所形成的多能级施主型缺陷在氧化镓晶体中的典型调控机理。本项目的顺利实施，将进一步完善氧化镓掺杂缺陷理论，为打破现有方案局限及后续器件的应用打下基础。

单斜结构的氧化镓晶体(β-Ga2O3)是一种新型直接带隙的宽禁带半导体，具有禁带宽度大（4.9eV），击穿场强大（8MV/cm），可用熔体法直接生长等优点。以它制备的功率器件导通损耗小，转化效率高，因而在高压电力电子器件领域具有重要的应用前景。高载流子浓度 n型掺杂对于Ga2O3材料的应用和 Ga2O3基器件的制备具有极其重要的意义，然而目前对于氧化镓单晶的导电机理研究及深、浅能级缺陷研究相对薄弱，尤其对于新型高效掺杂方案缺乏探索。.本项目基于Nb元素掺杂获得的高载流子浓度展开研究，通过光学浮区法生长得到Nb: Ga2O样品，通过变温霍尔效应、X射线光电子能谱、深能级瞬态谱、变温荧光等技术对其光学、电学性能进行了精确测量。基于实验数据，分析了氧化镓单晶的导电机理、深/浅能级缺陷及其与氧化镓电学、光学性能之间的关系，取得的主要成果包括：1）通过变温霍尔技术，综合物性测量系统（PPMS）对Ga2O3、Nb: Ga2O3进行了测试，采用热激活跃迁导电模型、跳跃跃迁导电模型对其施主能级及导电机理进行了拟合，结果发现近程跃迁及Mott变程跃迁模型可以分别描述氧化镓低温及高温时的载流子输运方式；同时发现Nb: Ga2O3激活能为12-20 meV，低于不掺杂Ga2O3及文献报道的Si: Ga2O3的结果（48.16 meV）；2）采用X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）等手段对退火前后的样品进行了表征，对Ga、O、C价态及结合方式进行了定量拟合，分析了本征缺陷、气氛退火等对氧化镓电学性能的影响；3）通过变温光谱、DLTS等手段，对Nb掺杂氧化镓的缺陷能级进行了表征，探明了缺陷能级位置及光谱特性，发现了0.12eV的特征深能级，绘制出典型缺陷能级的结构示意图。.通过本项目的系统研究，揭示了Nb掺杂作为新型高效n型掺杂方案的可行性，并对其相应的电学调控特性、缺陷特征进行了总结，完善了掺杂氧化镓的导电机理，同时为其在器件应用中的性能研究提供了基础，有望研制出高性能电子器件。