氮离子掺杂 (100) $\beta-Ga_2O_3$ 中分子态氮形成机制解析——基于温度依赖 $N$ $K$-边 XANES

宽带隙氧化物半导体中的 $p$ 型掺杂始终面临着巨大的挑战, 在 $\beta-Ga_2O_3$ 中, 氮一直被视为潜在的接受器掺杂剂, 但始终未能产生空穴导电性。本文利用温度依赖的 $N$ $K$-边 X射线吸收光谱, 考察了掺入 $\beta-Ga_2O_3$ (100) 表面氮的显微结构。光谱显示出分子态氮特征的显著 $\pi^*$ 共振, 随着热退火该共振越来越突出。第一性原理计算和多散射模拟表明, 氮原子在 $Ga_2O_3$ 基质中倾向于形成 $N-N$ 键构型, 尤其是在离子掺杂产生的缺陷富集环境中, 这能够再现 $N$ $K$-边 XANES 光谱中观察到的特征。结构分析进一步表明, 掺杂诱导了近表面的缺陷富集层, 其局部呈现类似 $\beta$ 至 $\gamma$ 的结构构型, 突显了氮掺入所处的强非平衡结构环境。报告的结果表明, 掺入的氮优先形成分子 $N_2$ 类似构型, 而非取代性接受器。我们的结果为 $\beta-Ga_2O_3$ 氮接受器掺杂长期以来的失败提供了微观解释, 并揭示了掺杂分子化作为强非平衡掺杂条件下 previously 被忽略的杂质掺入路径。