近日，《Journal of Materials Chemistry C》期刊发表了来自山东大学新一代半导体材料集成攻关大平台贾志泰教授团队的论文“Bandgap engineering and Schottky barrier modulation of ultra-wide bandgap Si-dopedβ-(AlxGa1-x)2O3single crystal,Journal of Materials Chemistry C, 2024,DOI：10.1039/D3TC04170K. ”（第一作者山东大学刘医源，通信作者山东大学穆文祥，中科大龙世兵），该论文基于能带工程和杂质工程，设计生长了具备宽带隙、低电阻的Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3单晶，并进一步制备了肖特基二极管，成功验证了Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3基二极管高肖特基势垒、低导通电阻的优异电学特性。
研究发现，较大的肖特基势垒高度可以实现较低的漏电流，有效防止软击穿的发生。然而，当对氧化镓晶体进行n型掺杂时，肖特基势垒会明显下降，导致高肖特基势垒与低导通电阻不可兼得。研究表明，Al掺杂可以有效提高氧化镓导带底部，扩大晶体带隙，有望用于改善肖特基势垒。因此，该论文基于能带工程和杂质工程，设计生长了新型Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3单晶，系统开展了关于Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3单晶的一系列研究，为突破功率器件反向击穿电压与导通电阻不可兼难题提供思路。
图1：Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体质量表征
论文系统表征了Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3单晶的晶体质量、光学性能、热学性能、电学性能及器件性能。如图1所示，该团队生长的Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体的XRD峰均与PDF#41-1103中的峰完全一致，表明该晶体仍属于单斜相，空间群为C2/m。X射线荧光光谱显示Al元素在晶体截面上均匀分布，表明晶体具有有良好的结晶质量和掺杂均匀性。
图2:Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体透过光谱
如图2所示，不同Al掺杂浓度下Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体在紫外波段均引起尖锐的吸收截止边，随着Al3+浓度的增加，吸收截止边从262 nm减小到255 nm。利用直接带隙计算方法，绘制(αhυ)2-hυ曲线进行光学带隙拟合，随着Al含量的增加，光学带隙变大，在Al掺杂浓度为4.01%时，光学带隙扩大到4.86 eV。图2(c)显示Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3的透光率在红外波段明显下降，表明晶体载流子浓度较高。
图3:Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体的PL光谱
如图3所示，Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体内的缺陷与β-Ga2O3保持一致，表明Al掺杂只改变了β-Ga2O3的能带隙宽度，对能带的内部结构影响不大。
图4:Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体热学表征
如图4所示，Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体的热膨胀系数显示出明显的各向异性，a*取向的热膨胀系数基本稳定，b和c*取向的热膨胀系数随温度的升高先减小后增大。为后续异质外延衬底的晶面选择提供了参考。
图5：Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体电学表征
如图5所示，晶体载流子浓度和电阻率与温度的关系遵循热激活行为。300 K时载流子浓度达到4.61×1018cm-3。电阻率降低到0.099 Ω·cm。使用阿伦尼乌斯方程计算的晶体活化能如图5(b)所示。在75-150 K范围内，存在一个14.2 meV的活化能，与Si的活化能一致。此外，我们还系统的分析了散射机制对电子迁移率的影响。发现在100 K以上，光学声子散射是影响迁移率的主要因素，在50 K以下，电离杂质散射占主导地位。
图6：基于Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3晶体的肖特基二极管J-V曲线图
如图6所示，基于单晶优异的光学带隙和导电性能，我们制备了Pt/Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3肖特基二极管(SBD)。如图4(a)所示，得益于Si的掺杂，SBD的开启电阻降低到1.57 mΩ·cm2，比UIDβ-Ga2O3基SBD低一个数量级。同时，Al掺杂提高了导带底部，保证了一个较大的肖特基势垒(1.21 eV)。此外，SBD的阈值电压(Vbi)为1.09 V，2V下的正向电流密度(J@2V)为521 A/cm2。如图4(b)所示，SBD的开/关比达到109，饱和电流密度为2×10-13A/cm2，理想的因子(n)为1.2，表明Si掺杂β-(AlxGa1-x)2O3具有较高的晶体质量和良好的肖特基界面性能。综上所述，该研究提供了一种新的晶体设计思路，有望用于制备具有高肖特基势垒、高开关比、超低电阻的垂直结构器件。
