通过低剂量离子注入制备的n型GaN材料中的空位型缺陷研究，采用单能正电子束进行分析

《physica status solidi (b)–– basic solid state physics》：Vacancy-Type Defects in n-Type GaN Fabricated by Low-Dose Ion Implantation Studied by a Monoenergetic Positron Beam

采用 positron annihilation 技术研究低剂量 N?、Al?、Si? 离子注入 GaN 的空位型缺陷退火行为，发现 Al/Si 注入样品退火后净施主浓度（N_D）达注入剂浓度的 2-3 倍，源于 V_Na 与 V_Ga 复合缺陷；N 注入样品 N_D 浓度较低，因 N 原子与 V_Na 复合。退火 1100°C 时 V_Ga 深度分布与 N_D 高度吻合，证实 V_Ga 是主导缺陷。光激发下 V_Ga 的电子捕获现象及能级定位 0.4 eV 以上被证实。

　　本研究通过正电子湮灭技术，对低剂量离子注入氮化镓（GaN）中的空位型缺陷的退火行为进行了系统分析。实验中，N?、Al?和Si?离子以1×1012 cm?2的剂量注入GaN样品，并在不同退火温度（700、900和1100°C）下对样品进行了退火处理。研究发现，退火后的Al和Si注入样品中，净施主浓度（N_D）的深度分布与注入杂质的分布相似，但N_D的值明显高于Al或Si的浓度，表明注入过程中引入了类似施主的缺陷。而N注入样品的N_D值则高于未注入样品，但低于Al和Si注入样品，这可能与注入的N原子在退火过程中部分重组，导致施主缺陷浓度降低有关。研究进一步指出，这些施主型缺陷很可能是与N空位相关的缺陷。通过对比空位型缺陷和N_D的深度分布，研究者发现GaN中的G空位（V_Ga）在退火过程中对N_D的变化具有重要影响。

研究中还探讨了光照条件下V_Ga型缺陷的电子脱离现象。实验表明，在退火后的样品中，光照会导致正电子湮灭信号的变化，这可能与空位的电荷状态变化有关。例如，当光照激发电子从价带跃迁至导带时，空位可能捕获电子，从而改变其电荷状态。这一现象在Si注入样品中尤为明显，光照不仅影响了表面区域的正电子湮灭信号，还对损伤区域的信号产生了显著影响。这表明V_Ga型缺陷在光照条件下可能释放出电子，从而影响其对N_D的贡献。通过分析正电子湮灭信号与光子能量之间的关系，研究者推测这些V_Ga型缺陷的电子脱离能级位于价带顶以上约0.4 eV的位置。这一发现对于理解GaN中载流子行为和缺陷动力学具有重要意义。

此外，研究还结合了光致发光（PL）技术，对注入样品的光学特性进行了分析。结果显示，Si注入样品的总发光强度受到非辐射复合中心的影响而降低，而NBE（近带边）发射则主要与样品的本征发光特性有关。对于未注入样品，正电子湮灭信号在超过3.1 eV后开始下降，并在超过GaN带隙能量（3.4 eV）后趋于饱和。这表明表面的空穴积累不仅来源于电子跃迁至导带，还可能与导带下方的能带结构有关。对于Si注入样品，正电子湮灭信号在2.7 eV以上区域出现下降，这与光照激发电子进入NBE区域有关，进而影响了空位的电荷状态和湮灭特性。

研究还通过模拟和实验相结合的方法，对正电子湮灭信号的特征进行了深入分析。实验中使用的正电子束具有单一能量，通过调整入射正电子能量，研究者能够获得不同深度区域的正电子湮灭信号。这些信号通过正电子湮灭光谱（如Doppler展宽谱）进行分析，并通过拟合方法得到不同深度区域的空位浓度分布。模拟计算表明，V_Ga型缺陷及其与V_N的复合体对正电子湮灭信号具有显著影响。研究者通过比较实验数据与模拟结果，确认了V_Ga型缺陷在退火过程中的主导作用，并推测其对N_D的贡献可能与空位的电荷状态变化有关。

实验中使用的正电子湮灭技术是一种非常有效的手段，用于检测固态材料中的空位型缺陷。通过分析正电子湮灭信号的特征，研究者能够识别不同类型的空位缺陷，并进一步研究它们在退火过程中的行为。例如，通过调整正电子能量，可以区分表面和内部区域的空位浓度变化。此外，通过结合光致发光和正电子湮灭技术，研究者能够更全面地理解GaN中缺陷对载流子行为的影响。研究发现，在退火过程中，V_Ga型缺陷的浓度变化对N_D的分布具有显著影响，尤其是在高温退火（如1100°C）条件下，V_Ga型缺陷的浓度变化更为明显。

在退火过程中，V_Ga型缺陷的行为对GaN的电学性能和稳定性产生了重要影响。研究者通过实验和模拟结合的方法，揭示了这些缺陷在不同退火温度下的演变过程。例如，在700°C和900°C退火后，V_Ga与V_N的复合体数量增加，而在1100°C退火后，这些复合体的数量减少，导致N_D的值趋于稳定。这表明退火温度对V_Ga型缺陷的浓度和行为具有显著调控作用。此外，研究还发现，在光照条件下，V_Ga型缺陷的电子脱离现象对正电子湮灭信号产生了影响，进一步支持了这些缺陷在载流子行为中的重要作用。

通过正电子湮灭技术，研究者能够深入分析GaN中不同离子注入引起的空位型缺陷及其对电学性能的影响。实验结果表明，N、Al和Si注入GaN后，空位型缺陷的浓度和分布受到退火温度的影响，其中V_Ga型缺陷在退火过程中表现出较强的动态行为。这不仅有助于理解GaN中缺陷的演化过程，还为优化GaN基器件的性能提供了理论依据。例如，通过控制退火温度，可以有效调节空位型缺陷的浓度，从而影响载流子的迁移率和电导率。此外，研究还发现，光照条件下V_Ga型缺陷的电子脱离行为可能对器件的稳定性和性能产生重要影响，这为未来GaN器件的设计和制造提供了新的思路。

本研究的结果表明，离子注入不仅引入了杂质，还产生了大量空位型缺陷，这些缺陷在退火过程中表现出复杂的演化行为。例如，在Al和Si注入样品中，退火后N_D的值仍然显著高于杂质浓度，这可能与V_Ga型缺陷和施主型缺陷的共存有关。而在N注入样品中，由于N原子的过量存在，V_N与V_Ga的复合体可能通过重组过程减少，从而导致N_D的值较低。这些发现对于理解GaN中缺陷的形成机制和退火行为具有重要意义，也为优化GaN基器件的性能提供了关键的理论支持。

研究还指出，正电子湮灭技术在检测和分析GaN中空位型缺陷方面具有独特的优势。通过测量正电子湮灭信号的特征，研究者能够区分不同类型的空位缺陷，并进一步研究它们在不同退火条件下的行为。例如，在退火过程中，正电子的捕获率可能受到空位电荷状态的影响，而光照条件则可能改变空位的电荷状态，进而影响其对正电子湮灭信号的贡献。这些发现不仅拓展了正电子湮灭技术在半导体材料研究中的应用范围，还为GaN基器件的缺陷控制提供了新的研究方法。

在实验设计方面，研究者采用了多种技术手段，包括正电子湮灭光谱、光致发光和电容-电压（C-V）测量，以全面评估注入样品的物理和电学特性。通过这些方法，研究者能够准确测量空位型缺陷的浓度分布和N_D的变化情况。例如，C-V测量用于估算N_D的值，而正电子湮灭技术则用于分析空位型缺陷的深度分布。此外，光致发光技术用于研究样品的光学特性，包括近带边发射和非辐射复合中心的影响。这些实验手段的结合，使得研究者能够从多个角度分析离子注入对GaN的影响，从而获得更加全面和准确的结论。

研究中还涉及了样品的制备和退火过程。样品采用金属有机气相外延（MOVPE）方法生长，厚度为5 μm，并在c面进行离子注入。为了减少离子通道效应，样品的c轴被倾斜7°，而m轴则被旋转15°，以确保离子注入的均匀性。退火过程在氮气氛围中进行，温度范围为700–1100°C，持续时间为3分钟。退火后，样品的表面氧浓度低于二次离子质谱（SIMS）的检测极限，表明退火过程中氧的扩散对N_D的贡献可以忽略。这些实验条件的优化，为研究空位型缺陷的退火行为提供了可靠的基础。

通过本研究，研究者揭示了离子注入和退火过程中空位型缺陷的演变机制，以及这些缺陷对GaN基器件电学性能的影响。研究发现，V_Ga型缺陷在退火过程中对N_D的贡献尤为显著，尤其是在高温退火条件下。此外，光照条件下V_Ga型缺陷的电子脱离行为也对正电子湮灭信号产生了影响，进一步支持了这些缺陷在载流子行为中的重要性。这些结果不仅有助于理解GaN中缺陷的形成和演化过程，还为未来GaN器件的设计和制造提供了重要的理论依据和技术支持。

研究的结论表明，控制空位型缺陷的浓度和行为对于优化GaN基器件的性能至关重要。通过调整退火温度和光照条件，可以有效调控这些缺陷的浓度和电荷状态，从而影响载流子的迁移率和电导率。此外，研究还发现，V_Ga型缺陷的浓度变化可能对器件的稳定性和可靠性产生重要影响，因此在实际应用中需要特别关注这些缺陷的形成和演化过程。本研究的结果为GaN基器件的缺陷控制和性能优化提供了新的思路和方法，同时也为未来相关研究奠定了坚实的基础。