综述：宽带隙半导体（GaN、4H-SiC和β-Ga2O3）中的深度瞬态光谱学：方法、缺陷特征及对器件应用的启示

《Materials Today Physics》：Deep-Level Transient Spectroscopy in Wide-Bandgap Semiconductors (GaN, 4H-SiC, and β-Ga 2O 3): Methods, Defect Fingerprints, and Device-Relevant Insights

　　摘要：深层缺陷决定了基于宽禁带和超宽禁带半导体的电力和射频器件的效率、稳定性和可靠性。深层瞬态谱学（DLTS）及其变体仍然是探测这些状态最敏感的电学方法，能够以高达掺杂密度10^5级别的灵敏度解析陷阱激活能、捕获截面和浓度。本综述将氮化镓（GaN）、4H碳化硅（4H-SiC）和β相氧化镓（β-Ga2O3）这三种主要宽禁带系统的DLTS衍生的缺陷特征整合在一个比较框架中。首先，我们介绍了测量物理原理以及围绕传统电容DLTS发展起来的方法体系：高分辨率Laplace DLTS、电流和漏电流DLTS、少数载流子及光学瞬态谱学、深层光学谱学、导纳谱学，以及适用于超宽禁带的高温DLTS。接着，我们列出了每种材料的已知缺陷特征：4H-SiC中的碳空位Z1/2和EH6/7寿命决定因子以及HK/UK空穴陷阱系列；GaN中的E1/E2/E3电子陷阱、铁相关中心和黄光发射相关状态；β-Ga2O3中的E1/E2/E2*/E3主要陷阱、主要的EC?2.0 eV补偿中心以及镓空位空穴陷阱。通过跨材料的综合分析，确定了哪些分配是可靠的，哪些基于实验-理论的一致性，哪些仍有争议。我们将特定陷阱与器件异常联系起来：GaN晶体管中的电流崩塌和动态导通电阻；SiC中的寿命限制和阈值不稳定性；GaN2O3中的载流子去除和辐射响应；最后讨论了限制深层缺陷化学识别的方法学和材料方面的挑战。本文提供了一张详尽的表格，列出了三种材料中通过DLTS检测到的所有缺陷，作为参考资源。

引言：宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体已从实验室奇观发展成为高压电力转换、射频放大和恶劣环境电子产品的首选材料。这得益于一系列与禁带宽度相关的固有优势：4H-SiC（Eg ≈ 3.26 eV）、GaN（Eg ≈ 3.4 eV）和β-Ga2O3（Eg ≈ 4.8 eV）能够支持比硅高几倍的临界场强，从而实现更薄、掺杂浓度更高的漂移区，因此在给定阻断电压下导通损耗更低。然而，正是这种宽禁带使得深层电子能级存在的能量窗口扩大，而这些深层能级几乎会降低所有与器件相关的性能：导通电阻、漏电、开关稳定性、载流子寿命和长期可靠性，因为它们会捕获载流子、补偿掺杂并充当复合中心。因此，识别和量化这些能级是材料和器件质量评估的前提条件，而深层瞬态谱学（DLTS）正是完成这项任务的关键工具。自1974年Lang引入电容瞬态方法以来，DLTS提供了其他单一技术无法提供的多重优势：对远低于浅掺杂浓度的陷阱密度具有高灵敏度，能够区分多数载流子陷阱和少数载流子陷阱，并直接提取热发射特征，从而确定激活能和表观捕获截面。五十多年来，该技术已经发展成为一个方法体系：高分辨率Laplace DLTS、电流和漏电流DLTS、光学和少数载流子瞬态谱学、深层光学谱学以及导纳谱学，每种方法都针对原始测量的局限性进行了改进。然而，这些技术从硅向WBG材料的迁移并非自然而然：更大的禁带宽度使得许多陷阱的发射温度超出了商用低温恒温器的范围，较低的少数载流子浓度使得空穴陷阱检测变得困难，强烈的内部场使得场辅助发射成为常规现象而非特殊情况。目前三种材料主导了WBG DLTS的研究文献，每种材料都面临独特的缺陷问题。在4H-SiC中，核心问题是载流子寿命，这几乎完全由碳空位相关的Z1/2中心控制；抑制这一单一缺陷是实现双极器件性能的关键。在GaN中，主要问题是异质结构晶体管中的动态电流崩塌和阈值不稳定性，这些问题由缓冲层、表面和栅极堆栈陷阱引起；同时，深层能级与黄光发射之间存在长期关联。在β-Ga2O3中，该领域的研究相对较少且仍存在许多未解决的问题：其超宽禁带揭示了几乎覆盖5 eV能量的丰富能级谱，主要补偿中心接近EC?2.0 eV，但其化学赋值仍存在争议，尽管已在廉价熔融生长衬底上实现了千伏级二极管和晶体管。将这些材料进行并行研究很有价值，因为尽管缺陷本身不同，但方法、陷阱和解释策略在这三种系统中是一致的。将这三种材料纳入统一框架中考虑，而不是仅关注GaN和SiC或单独研究β-Ga2O3，反映了该领域的现状和发展趋势。SiC提供了一个相对成熟的参考案例：其技术上重要的缺陷已被广泛识别和表征，其形成和演变动力学已被建模，并且其对载流子寿命的影响已被纳入器件设计中。GaN处于中间位置：其固有的电子陷阱已被记录，器件陷阱现象已被充分研究，但某些微观分配和完整的表面态图谱仍在研究中。β-Ga2O3处于前沿：由于其超宽禁带、缺乏可行的p型掺杂以及对光学和计算方法的依赖性，它既是最具挑战性的材料，也是检验旧材料方法论教训的最严苛案例。通过对比这三种材料，不仅揭示了缺陷的谱系，还展示了WBG缺陷科学的发展轨迹，并使旧材料中的进步能够为最新研究提供启示。

本综述有三个目标。首先，我们提供了足够的测量物理原理和DLTS方法体系，以便批判性地阅读相关文献，并关注宽禁带特有的校正和干扰因素（第2节）。其次，我们总结了4H-SiC（第3节）、GaN（第4节）和β-Ga2O3（第5节）的DLTS衍生缺陷特征，区分了可靠的赋值和临时性赋值，并在跨材料综合分析中进行了整合（第6节），该分析基于一份详尽的、单独引用的缺陷表格。第三，我们将特定陷阱与器件行为和可靠性联系起来（第7节），然后指出了将在未来十年内塑造研究方向的 metodological 和材料挑战（第8节）。在整个过程中，我们更注重分析性而非百科全书式的描述：当同一陷阱标签在不同报告中代表不同的能量时，我们会询问原因；当微观赋值发生变化时，我们会追踪促使变化的证据。

**电容瞬态及其编码**：DLTS利用反向偏置结、肖特基势垒或p-n二极管的电容来测量耗尽区内深层能级储存的电荷。首先，正向或降低偏压脉冲注入多数载流子（或通过光学或少数载流子注入相反类型的载流子）来填充陷阱。当偏压恢复到静态反向值时，被困电荷以与温度呈指数关系的速率热发射。

**碳空位和寿命问题**：4H-SiC中与载流子寿命最直接相关的缺陷物理现象是由一个缺陷家族主导的。在290 K附近出现的宽DLTS特征通常标记为Z1/2，位于导带边缘下方约0.6-0.7 eV处，被广泛认为是生长态n型外延4H-SiC中的主要电子陷阱，并且是少数载流子寿命的主要限制因素。Klein的研究表明，尽管Z1/2和更深层的EH6/7中心都存在，但EH6/7的效率较低。

**普遍存在的E1和E3电子陷阱**：在通过金属有机气相外延（MOVPE）、氢化物气相外延（HVPE）及其横向生长变体生长的GaN中，两个电子陷阱非常一致地出现，成为材料的电学特征：E1接近EC?0.25 eV，E3接近EC?0.57至?0.60 eV。在自由站立衬底上生长的同质外延MOCVD GaN中，存在相应的B1（EC?0.23 eV）和B2（EC?0.58 eV）陷阱，其中B2占主导地位，并且明显不含A谱中常见的位错相关中心。

**β-Ga2O3的约4.8 eV禁带**：β-Ga2O3的宽禁带允许电活性状态跨越一个能量范围，单个热DLTS测量无法涵盖整个范围，因此其缺陷图谱是通过结合热DLTS（涵盖上部约1.5 eV）、导纳谱学（浅层状态）和DLOS以及光照下的电容-电压曲线（涵盖深部约一半的范围）构建的。首项针对边缘定义的薄膜生长（010）材料的研究在EC?0.62、?0.82和?1.00 eV处分辨出了相关状态。

**GaN、4H-SiC和β-Ga2O3的比较框架**：这三者代表了具有不同缺陷化学性质、电子结构和器件要求的技术上重要的宽禁带半导体。尽管存在这些差异，所有三种系统中的缺陷识别越来越多地依赖于结合多种方法，而不仅仅是单一的DLTS测量。Laplace DLTS有助于解析重叠信号，场依赖性测量有助于限制电荷状态。

**器件相关的见解**：缺陷目录的价值在于它所解释的器件行为，对于每种材料来说，少数陷阱负责了主要的可靠性问题。在GaN异质结构晶体管中，核心问题是动态电流崩塌和相关的动态导通电阻增加，这些现象发生在高电压或热电子应力下，陷阱会耗尽通道并降低漏电流直到它们缓慢重新发射。漏电流和电容DLTS有助于定位这些问题。

**主要未解决的挑战**：深层缺陷的微观和化学识别是一个重大挑战。DLTS提供了包括激活能、捕获截面和陷阱浓度在内的关键电学特征，但本身无法唯一确定导致给定信号的原子物种或微观配置。因此，缺陷识别的进展越来越依赖于将DLNS与其他技术（如EPR、二次离子质谱等）结合使用。

**结论**：深层瞬态谱学及其方法体系仍然是了解限制宽禁带和超宽禁带器件缺陷的最有力电学工具。自该技术引入五十年以来，它已应用于GaN、4H-SiC和β-Ga2O3，形成了一个明确的缺陷图谱，其中主要特征包括：控制SiC中寿命的碳空位Z1/2和EH6/7中心，以及导致电流崩塌的E1/E3电子陷阱和与碳相关的空穴陷阱。

**作者贡献声明**：
Muskan Verma：撰写原始稿件、方法论、研究、数据分析。
Ashish Kumar：撰写审稿与编辑、监督、研究、概念构思。

**利益冲突**：作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务或非财务利益。

**致谢**：作者Muskan Verma衷心感谢查谟中央大学提供的研究奖学金。