离子束注入实现4H-SiC表面纳米级镓氮掺杂对435 nm发光的高效调控

为解决SiC基光电集成中空间选择性掺杂难题，研究人员首次采用离子铣削工具实现Ga离子束注入n型4H-SiC，形成纳米级Ga富集区，并通过1600°C退火激活和AlN覆盖层保护，成功观测到435 nm的Ga-N donor-acceptor-pair（DAP）发光，为低成本SiC微LED和光电集成提供了新思路。

　　

在半导体光电领域，碳化硅（SiC）因其宽禁带特性曾被寄予厚望，但传统体相掺杂技术难以实现局部发光调控，制约了其在微纳光电器件中的应用。尤其当氮化物半导体主导LED市场后，SiC基发光器件的成本优势与空间分辨率不足的矛盾愈发突出。如何通过原子级精度调控实现SiC的高效选区发光，成为突破技术瓶颈的关键。

McMaster University的研究团队在《Vacuum》发表的研究中，创新性地采用聚焦离子束（FIB）技术，将镓（Ga）离子以30 kV加速电压注入n型4H-SiC表层，形成仅19 nm深的Ga掺杂区。通过磁控溅射沉积AlN保护层和1600°C高温退火，首次在室温下获得峰值波长435 nm的Ga-N供体-受体对（donor-acceptor-pair, DAP）发光。研究结合TRIM模拟、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）证实了Ga在SiC晶格中的定位分布，并通过光致发光（PL）和阴极发光（CL）光谱分析，明确435 nm发射峰来源于Ga受主能级（0.35 eV）与氮（N）施主能级（平均0.09 eV）的复合过程。

关键技术包括：1）采用离子铣削工具实现Ga⁺高剂量（4.24×10¹⁶ cm^-2）注入；2）AlN覆盖层抑制Ga外扩散并提供额外N源；3）1600°C退火激活掺杂原子；4）多模态表征技术（PL/CL/SEM/TEM/EDS）联用分析。

研究结果显示：

1. 离子注入与分布调控：TRIM模拟显示Ga离子在SiC中的投影深度为19 nm，TEM-EDS证实退火后Ga扩散至50-60 nm深度，并在界面处形成纳米团簇（图10）。
2. 界面工程：AlN覆盖层通过柱状晶生长（图3）有效抑制SiC表面分解，其[002]择优取向（图5）形成界面电场，减少载流子表面复合。
3. 发光机制：PL光谱中435 nm峰（图7a）与理论计算的Ga-N DAP跃迁能量（2.82 eV）高度吻合，CL谱图（图8）进一步排除了AlN层发光的干扰。
4. 缺陷调控：拉曼光谱（图9）显示LO模峰位从980 cm^-1（未掺杂）偏移至975 cm^-1，证实Al/N共掺杂补偿了SiC中原有的n型导电性。

该研究的意义在于：

1. 技术突破：首次实现FIB技术对SiC的纳米级Ga-N共掺杂，离子通量（10²⁰ cm^-2/s）比传统注入设备高5个数量级。
2. 应用前景：为SiC基微LED阵列和光电集成电路提供空间选择性发光解决方案，其材料成本仅为GaN的1/10。
3. 机制创新：揭示AlN覆盖层兼具钝化、掺杂源和应力调控三重功能，为宽禁带半导体界面工程提供新范式。

研究团队特别指出，未来可通过优化AlN厚度与退火工艺进一步提高Ga激活率，并探索B-Ga-N等多DAP体系以实现全光谱发射。这项工作标志着SiC在下一代显示技术和光电集成领域的重要突破。