近日，《Journal of Materials Chemistry C》期刊发表了来自太阳成集团tyc1286太阳集团氧化镓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. ”（第一作者太阳成集团刘医源，通信作者太阳成集团穆文祥，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。
