200keV电子辐照β-Ga2O3晶片缺陷的光谱研究

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β-Ga2O3是一种新型氧化物半导体材料,具有宽禁带,良好的光学性能,高击穿场强和抗辐射性,在高功率、低损耗半导体器件制备方面具有很大优势。电子辐照可以在β-Ga2O3晶体内形成氧空位(VO)与氧间隙(Oi)缺陷。然而,目前关于β-Ga2O3缺陷的研究主要集中在生长过程中形成的缺陷,而关于β-Ga2O3电子辐照缺陷的研究很少。这严重制约了β-Ga2O3器件性能的辐照调控技术发展,进而影响了β-Ga2O3大功率电子器件的研制与开发。本论文利用200keV电子对β-Ga2O3晶片进行辐照,然后利用拉曼光谱与光致发光(PL)光谱进行表征。通过研究光谱中拉曼峰与零声子线(ZPL)的温度依赖性、激光功率依赖性,以及其沿晶体深度方向的分布情况,并结合退火对拉曼峰与零声子线强度的影响,揭示零声子线对应的缺陷结构,确定β-Ga2O3晶体辐照缺陷的结构与分布情况,为β-Ga2O3材料在大功率电子器件领域的应用提供理论指导与技术支持。具体结果如下:200keV电子辐照后,β-Ga2O3晶体拉曼峰强度增强、峰位偏移和半高宽(FWHM)增宽,这是因为辐照在晶体内引入了本征缺陷。随着测试温度不断升高,拉曼峰红移和FWHM增宽,并且对高频区域拉曼峰影响最大,这说明温度变化过程中伴随着剧烈的[Ga O4]四面体弯曲和对称拉伸振动,而且对氧原子影响更大。沿晶体深度方向,拉曼光谱开始恢复为未辐照晶片的拉曼光谱,说明电子辐照对晶体的损伤开始减弱。经300℃~1000℃退火处理后,拉曼光谱逐渐恢复为未辐照晶片的拉曼光谱,表明退火使晶体内缺陷发生复合。β-Ga2O3晶片经200keV电子辐照后,PL光谱中684nm、690nm和697nm零声子线变得强且尖锐。随着测试温度不断升高,零声子线强度猝灭、峰位偏移、FWHM增宽。通过对比零声子线的Huang-Rhys因子、热猝灭激活能、热软化系数等物理量都表明697nm零声子线原子结构相比690nm更“硬”,690nm零声子线由VO缺陷引起,说明697nm零声子线很可能由Oi缺陷引起。激光激发过程中,684nm、690nm和697nm零声子线受辐射复合和俄歇复合共同影响。沿晶体深度方向零声子线强度降低,各零声子线衰减系数不同。300℃~1000℃退火处理后,690nm和697nm零声子线开始减弱,这表明退火过程中Oi缺陷可以在晶片内自由移动,并且与VO发生复合。
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