由福州大學(xué)李悌濤副教授、張海忠教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海光機(jī)所齊紅基研究員團(tuán)隊(duì)在學(xué)術(shù)期刊 The Journal of Physical Chemistry Letters 發(fā)布了一篇名為Insight into the High Hole Concentration of p-Type Ga₂O₃ via In Situ Nitrogen Doping（原位氮摻雜誘導(dǎo) p 型 Ga₂O₃ 高空穴濃度的機(jī)理研究）的文章。福州大學(xué)博士研究生盧耀平為論文第一作者。

1. 項(xiàng)目支持

本研究得到了國家自然科學(xué)基金（No. 62204270）、福建省重大科技專項(xiàng)（No. 2022HZ027006）、福建省自然科學(xué)基金（No. 2024J01251，2022I0006）和泉州市重大科技專項(xiàng)（No. 2022GZ7）的資助。作者感謝在外延薄膜的生長過程中得到了杭州富加鎵業(yè)科技有限公司的幫助。

2. 背景

氧化鎵（Ga₂O₃）因其超寬帶隙和高Baliga優(yōu)值，在電力電子器件領(lǐng)域潛力巨大，然而缺乏可靠的 p 型 Ga₂O₃ 材料是限制其在超高耐壓功率器件中進(jìn)一步應(yīng)用的主要瓶頸?，F(xiàn)有實(shí)現(xiàn) p 型的方法，如 p-NiO 的替代、GaN 熱氧化、離子注入（P, N）、H₂ 氣氛退火等，可能分別存在著穩(wěn)定性較差、工藝兼容性不足、晶格損傷嚴(yán)重、施主補(bǔ)償效應(yīng)或難以精確控制等局限性。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，在 Ga₂O₃ 中要形成可靠的 p 型導(dǎo)電性，必須要求在材料的晶體質(zhì)量足夠高的前提下，由缺陷或非故意摻雜所引入的施主補(bǔ)償效應(yīng)被抑制到足夠低水平，才能使受主型雜質(zhì)占主導(dǎo)地位?？紤]到氮（N）和氧（O）有著相近的離子半徑，且 N-Ga 鍵較強(qiáng)，如果能夠通過仔細(xì)調(diào)控 N 摻雜的熱力學(xué)條件，使得在 Ga₂O₃ 晶格中實(shí)現(xiàn)大部分 N 替位 O，是有望制備出具有低晶格畸變、高空穴濃度的 p 型 Ga₂O₃。而在同質(zhì)外延體系中進(jìn)行 N 原位摻雜，則是制備以上“半導(dǎo)體級” p 型 Ga₂O₃ 的一種理想方法。

3. 主要內(nèi)容

p 型導(dǎo)電機(jī)制不明晰以及缺乏可靠的 p 型 Ga₂O₃ 材料，嚴(yán)重阻礙了Ga₂O₃ 基超高耐壓功率器件的發(fā)展。在此，研究團(tuán)隊(duì)通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)的同質(zhì)外延方法進(jìn)行 N 的原位摻雜，創(chuàng)新性提出了使用笑氣（N₂O）作為氧源和 N 受主摻雜劑。結(jié)構(gòu)及元素定量分析結(jié)果表明 N 的有效摻入（得益于強(qiáng) N–Ga 鍵），補(bǔ)償了殘余的硅和氫施主，同時(shí)未顯著犧牲晶體質(zhì)量。Ga₂O₃:N 外延層顯示出了出色的 p 型導(dǎo)電性：室溫下空穴濃度為 1.04 × 10¹⁸ cm^–3，遷移率為 0.47 cm² V^–1 s^–1，激活能為 0.168 eV。

研究團(tuán)隊(duì)從晶體學(xué)視角對 Ga₂O₃ 中的 p 型導(dǎo)電機(jī)制給出了具象化的解析，重點(diǎn)在于受主（N^2–）和空穴（O?）的具象化，以及空穴激發(fā)的化學(xué)反應(yīng)過程（N^2- + O^2- → N^3- + O^-）。這一具象化描述確切指出了在 p 型 Ga₂O₃ 中受主和空穴的“組件單元”，意味著如果要制備 p 型 Ga₂O₃，就要制備出微量（10¹⁵ cm^-3~10¹⁹ cm^-3）固溶于 O^2-（10²² cm^-3）晶格中的 O^-。而一旦在整個(gè)由 O^2- 組成的 Ga₂O₃ 晶格中出現(xiàn)了 O?，意味著相應(yīng)的局域晶格上出現(xiàn)了自由的凈“正電荷”（即空穴），即實(shí)現(xiàn)了 Ga₂O₃ 的 p 型導(dǎo)電。研究結(jié)果表明，仔細(xì)抑制施主補(bǔ)償效應(yīng)以及精確控制氮的化學(xué)勢，從而在 Ga₂O₃ 中形成微量的 O? 固溶體，對于實(shí)現(xiàn)氧化物中的高空穴濃度 p 型導(dǎo)電至關(guān)重要。

4.創(chuàng)新點(diǎn)

首次通過 MOCVD 同質(zhì)外延和原位N 摻雜方法成功制備出具有 10¹⁸ cm^–3 室溫高空穴濃度的 p 型 β-Ga₂O₃，并發(fā)現(xiàn)了 N 在 Ga₂O₃ 中表現(xiàn)出淺受主特性，有別于傳統(tǒng)認(rèn)為的深受主行為。

創(chuàng)新性地采用 N₂O 同時(shí)作為氧源和氮摻雜源，有效解決了傳統(tǒng)維持高結(jié)晶質(zhì)量（需高溫環(huán)境）與實(shí)現(xiàn)高濃度氮摻雜（僅可在低溫實(shí)現(xiàn)）的固有矛盾。

從晶體學(xué)視角揭示了全新 p 型導(dǎo)電機(jī)制，通過受主（N^2-）-空穴（O^-）等"組成單元"的具象化解析，闡明了 p 型 Ga₂O₃ 中室溫下受主激發(fā)過程（N^2- + O^2- → N^3- + O^-）的機(jī)理。

5. 總結(jié)

研究團(tuán)隊(duì)提出了一種通過 MOCVD 同質(zhì)外延實(shí)現(xiàn)原位氮摻雜以獲得高空穴濃度 p 型 Ga₂O₃ 的策略。利用 N−Ga 鍵的高鍵能（與 O−Ga 鍵能相當(dāng)）并保持二維臺(tái)階流生長，通過精細(xì)調(diào)控?zé)崃W(xué)條件成功地將 Ga₂O₃:N 的電學(xué)性質(zhì)從 n 型調(diào)至 p 型。首次實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 1.04×10¹⁸ cm⁻³ 的室溫空穴濃度和 0.47 cm² V⁻¹ s⁻¹ 的空穴遷移率，同時(shí)具有 0.168 eV 的淺受主激活能。結(jié)果表明，氮受主雜質(zhì)可以在高溫下以高濃度摻入 Ga₂O₃ 晶格并取代氧位點(diǎn)。此外，還對 Ga₂O₃:N 中的 p 型導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了全新的晶體學(xué)解析，揭示了 p 型導(dǎo)電氧化物中受主（N²⁻）和空穴（O⁻）的性質(zhì)，以及淺能級受主激活的化學(xué)反應(yīng)過程（N²⁻ + O²⁻ → N³⁻ + O⁻）。建議為成功制備半導(dǎo)體級的 p 型 Ga₂O₃，必須嚴(yán)格控制由缺陷或無意摻雜雜質(zhì)引起的施主補(bǔ)償效應(yīng)至足夠低的水平，才能使受主型  NO 缺陷占主導(dǎo)地位，從而最終獲得少量的 O⁻ 離子穩(wěn)定地固溶于 Ga₂O₃  晶格中。這項(xiàng)工作為 p 型 Ga₂O₃ 在高壓功率器件中的應(yīng)用提供了一條潛在途徑。

6. 圖文示例