P型Li_yNi_(1-x-y)Mg_xO：一种极具前景的超宽带隙半导体，适用于Ga_2O_3功率器件的应用

《Journal of Magnesium and Alloys》：P-type Li yNi 1-x-yMg xO: A promising ultrawide bandgap semiconductor for Ga 2O 3 power devices applications

本研究通过共溅射技术调控LiyNi1-x-yMgO中镁含量，发现其带隙可从4.27 eV拓宽至5.44 eV，同时 holes迁移率提升至33.39 cm2/V·s。XPS和XRD证实镁原子取代镍位形成MgO相，并通过陷阱辅助隧穿机制降低开启电压至1.53 V，击穿电压达-1450 V，为β-Ga?O?基器件提供了高性能p型接触材料。

　　本文探讨了一种新型的p型超宽禁带半导体材料Li_yNi_1-x-yMg_xO的制备与性能，重点研究了其在β-Ga₂O₃基异质结器件中的应用潜力。超宽禁带半导体材料在下一代功率电子器件中具有重要作用，因其具有较高的击穿电压、优异的热稳定性以及更高的能量效率。然而，目前缺乏高效的p型超宽禁带半导体材料，这限制了互补型器件的发展。通过共溅射技术，研究人员精确控制了Mg的含量，从而实现了对材料特性的调节。X射线衍射（XRD）结果显示，随着Mg含量的增加，(200)和(111)衍射峰的强度增强，表明Mg成功地被引入到NiO晶格中。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了Ni被Mg取代的现象。当Mg靶功率密度从0增加到1 W·cm^-2时，材料的光学带隙从4.27 eV扩大至5.44 eV，同时光学透射率也得到改善。霍尔效应测量表明，随着Mg含量的增加，空穴浓度下降，而空穴迁移率显著提升，达到33.39 cm²V^-1s^-1。尽管较高的Mg含量使Li_yNi_1-x-yMg_xO与n型β-Ga₂O₃的带隙对齐增强，但在Li掺杂NiO/β-Ga₂O₃异质结二极管中，随着Mg含量的增加，开启电压有所降低，而击穿电压达到-1450 V，显示出良好的性能。Silvaco TCAD模拟结果表明，这些变化与陷阱辅助隧穿效应相关，可能由Mg引入的能级促进了电子和空穴的隧穿行为，从而降低了开启电压。

### 材料背景与研究意义

β-Ga₂O₃作为n型半导体材料，具有约4.9 eV的带隙和高达7–8 MV/cm的临界电场，以及可获得高质量大直径衬底的特性，因此在高功率开关电子器件中具有应用前景。然而，β-Ga₂O₃的一个关键挑战是缺乏p型导电性，这主要归因于其平坦的价带结构和空穴的自捕获（极化子形成）。为了克服这一问题，研究人员探索了多种p型半导体材料，如CuAlO₂、CuGaO₂和NiO，以形成与n型β-Ga₂O₃的P-N结。其中，CuAlO₂和CuGaO₂因其相对较宽的带隙（3.70–4.35 eV）和与Ga₂O₃的兼容性而受到关注。然而，它们的空穴密度和迁移率较低，这限制了其作为β-Ga₂O₃ p型材料的有效性。相比之下，NiO具有3.6–4 eV的带隙和超过1 × 10¹⁸ cm^-3的高空穴密度，其性能可以通过Li掺杂进一步提升，以改善欧姆接触性能并降低接触电阻。此外，LiGa₅O₈作为一种具有5.36 eV超宽带隙的p型半导体，已被证明在室温下具有p型导电性，适合与Ga₂O₃集成。LiGa₅O₈还表现出与Ga₂O₃良好的带隙对齐特性，进一步增强了其兼容性。然而，这些材料在实际条件下的稳定性和可重复性仍存在不确定性，因此目前还不能被视为可靠的β-Ga₂O₃集成p型半导体。

### 研究方法与材料制备

研究人员通过在室温下使用2英寸Li（10 %）掺杂NiO和Mg靶进行射频（RF）共溅射技术，制备了Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜。基压和工作压分别约为4.2 × 10^–7 Torr和5 mTorr。Li掺杂NiO靶的功率密度固定为7.5 W·cm^-2，而Mg靶的功率密度则从0到1 W·cm^-2逐步调整，以控制Mg含量。纯氧气（O₂）作为O源，氩气（Ar）作为载气，流量分别为6 sccm和30 sccm。随后，薄膜在氩气中快速退火2分钟，以形成结晶态薄膜。通过XRD分析，研究人员发现随着Mg靶功率密度的增加，(200)和(111)晶面的衍射峰强度增强，这表明Mg成功地被引入到NiO晶格中。同时，XPS分析进一步验证了Ni被Mg取代的化学行为。

### 材料特性分析

通过XRD、XPS和AFM等技术，研究人员分析了Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的结构和表面形貌。XRD结果显示，随着Mg含量的增加，(200)和(111)晶面的d间距逐渐增加，这与Mg离子的尺寸不匹配有关。XPS分析显示，随着Mg靶功率密度的增加，O_1s–Ni峰的强度下降，而O_1s–Mg峰的强度上升，这表明Mg原子成功取代了Ni原子。此外，Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的表面粗糙度随着Mg含量的增加而上升，这可能与Mg诱导的晶界缺陷和结构变化有关。然而，尽管表面粗糙度增加，空穴迁移率却显著提升，这表明Mg的引入不仅改善了晶格结构，还促进了空穴的传输行为。

### 电学性能研究

通过霍尔效应测量，研究人员发现Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的空穴迁移率随Mg含量的增加而提高，从Li掺杂NiO的0.798 cm²V^-1s^-1增加到17.80 % Mg含量时的33.39 cm²V^-1s^-1。这一现象可能与Mg诱导的能级促进空穴的迁移有关。此外，Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的空穴浓度随着Mg含量的增加而降低，这可能是由于Mg的引入减少了Li掺杂引起的空穴密度。通过密度泛函理论（DFT）计算，研究人员进一步探讨了Mg对Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的电子结构的影响，结果显示随着Mg含量的增加，空穴态的局域化程度降低，从而提高了空穴迁移率。

### 与β-Ga₂O₃的异质结性能

研究人员通过构建Li_yNi_1-x-yMg_xO/β-Ga₂O₃异质结二极管，研究了其电学性能。实验结果表明，随着Mg含量的增加，开启电压有所降低，同时击穿电压显著提高，达到-1450 V。这表明Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜在异质结中表现出良好的性能。通过Silvaco TCAD模拟，研究人员发现这些性能变化可能与陷阱辅助隧穿效应有关，即Mg引入的能级促进了电子和空穴的隧穿行为，从而降低了开启电压。

### 研究成果与未来展望

研究结果表明，Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜具有优异的电学和光学性能，特别是其光学带隙从4.27 eV增加到5.44 eV，同时光学透射率也得到提升。这些特性使其成为β-Ga₂O₃基高功率器件的理想候选材料。此外，Li_yNi_1-x-yMg_xO薄膜的结构和界面特性也得到了深入研究，表明其具有良好的晶体结构和界面质量，能够有效改善异质结器件的性能。未来，研究人员计划进一步探索使用绝缘材料进行边缘终止技术，以及研究双层结构以进一步降低on电阻，并结合先进的封装技术以提升正向电流能力，从而显著提高整体器件的性能和可靠性。

### 结论

本文的研究成果表明，Li_yNi_1-x-yMg_xO作为一种新型的p型超宽禁带半导体材料，具有显著的性能优势，特别是在高功率和高效率的应用中。通过调整Mg含量，研究人员能够有效控制材料的带隙、空穴迁移率和击穿电压，使其在β-Ga₂O₃基异质结器件中表现出良好的电学和光学性能。这些发现为未来高功率电子器件的开发提供了重要的理论和实践基础，同时为超宽禁带半导体材料的研究开辟了新的方向。