Ion implantation-induced effects were studied in Ge implanted β-Ga2O3 with the fluence and energy of 3 × 1013 cm−2/60 keV, 5 × 1013 cm−2/100 keV, and 7 × 1013 cm−2/200 keV using analytical electron microscopy via scanning/transmission electron microscopy, electron energy loss spectroscopy, and precession electron diffraction via TopSpin. Imaging shows an isolated band of damage after Ge implantation, which extends ∼130 nm from the sample surface and corresponds to the projected range of the ions. Electron diffraction demonstrates that the entirety of the damage band is the κ phase, indicating an implantation-induced phase transition from β to κ-Ga2O3. Post-implantation annealing at 1150 °C for 60 s under the O2 atmosphere led to a back transformation of κ to β; however, an ∼17 nm damage zone remained at the sample surface. Despite the back transformation from κ to β with annealing, O K-edge spectra show changes in the fine structure between the pristine, implanted, and implanted-annealed samples, and topspin strain analysis shows a change in strain between the two samples. These data indicate differences in the electronic/chemical structure, where the change of the oxygen environment extended beyond the implantation zone (∼130 nm) due to the diffusion of Ge into the bulk material, which, in turn, causes a tensile strain of 0.5%. This work provides a foundation for understanding of the effects of ion implantation on defect/phase evolution in β-Ga2O3 and the related recovery mechanism, opening a window toward building a reliable device for targeted applications.

中文翻译：

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Ge注入β-Ga2O3的结构转变和恢复

在注量和能量为 3 × 1013 cm−2/60 keV、5 × 1013 cm−2/100 keV 和 7 × 1013 cm−2/200 keV 的 Ge 注入 β-Ga2O3 中研究了离子注入诱导的效应，使用分析电子显微镜通过扫描/透射电子显微镜、电子能量损失光谱和通过 TopSpin 的进动电子衍射。成像显示 Ge 注入后有一个孤立的损伤带，它从样品表面延伸约 130 nm，对应于离子的投影范围。电子衍射表明整个损伤带是 κ 相，表明从 β 到 κ-Ga2O3 的注入诱导相变。在 O2 气氛下，在 1150 °C 下进行 60 s 的植入后退火导致 κ 向 β 的反向转变；然而，样品表面保留了约 17 nm 的损伤区。尽管退火后从 κ 向 β 转变，但 O K 边缘光谱显示原始、注入和注入退火样品之间的精细结构发生了变化，顶旋应变分析显示了两个样品之间的应变变化。这些数据表明电子/化学结构的差异，其中由于 Ge 扩散到体材料中，氧环境的变化超出了注入区（~130 nm），这反过来又导致了 0.5 的拉伸应变%。这项工作为了解离子注入对 β-Ga2O3 中缺陷/相演化的影响以及相关恢复机制提供了基础，为构建用于目标应用的可靠器件打开了一个窗口。注入和注入退火样品，上旋应变分析显示两个样品之间的应变变化。这些数据表明电子/化学结构的差异，其中由于 Ge 扩散到体材料中，氧环境的变化超出了注入区（~130 nm），这反过来又导致了 0.5 的拉伸应变%。这项工作为了解离子注入对 β-Ga2O3 中缺陷/相演化的影响以及相关恢复机制提供了基础，为构建用于目标应用的可靠器件打开了一个窗口。注入和注入退火样品，上旋应变分析显示两个样品之间的应变变化。这些数据表明电子/化学结构的差异，其中由于 Ge 扩散到体材料中，氧环境的变化超出了注入区（~130 nm），这反过来又导致了 0.5 的拉伸应变%。这项工作为了解离子注入对 β-Ga2O3 中缺陷/相演化的影响以及相关恢复机制提供了基础，为构建用于目标应用的可靠器件打开了一个窗口。其中，由于 Ge 扩散到体材料中，氧环境的变化超出了注入区（~130 nm），这反过来又导致了 0.5% 的拉伸应变。这项工作为了解离子注入对 β-Ga2O3 中缺陷/相演化的影响以及相关恢复机制提供了基础，为构建用于目标应用的可靠器件打开了一个窗口。其中，由于 Ge 扩散到体材料中，氧环境的变化超出了注入区（~130 nm），这反过来又导致了 0.5% 的拉伸应变。这项工作为了解离子注入对 β-Ga2O3 中缺陷/相演化的影响以及相关恢复机制提供了基础，为构建用于目标应用的可靠器件打开了一个窗口。