亚稳相Ga2O3异质外延的研究进展

作为一种新兴的超宽禁带半导体材料,氧化镓(Ga₂O₃)被认为是下一代高功率电力电子器件领域的战略性先进电子材料。相较于热稳定的β-Ga₂O₃,亚稳相Ga₂O₃表现出更为新颖的物理性质,逐渐受到关注。通过异质外延生长高质量的亚稳相Ga₂O₃单晶薄膜是实现亚稳相Ga₂O₃基功率电子、微波射频和深紫外光电信息感知器件的重要前提。重点阐述了亚稳相Ga₂O₃的晶体结构、电子能带结构以及相关物理性质,总结了近年来亚稳相Ga₂O₃异质外延和能带工程的研究进展,并对未来亚稳相Ga₂O₃材料和器件的发展趋势进行了展望。     

氧化镓基肖特基势垒二极管的研究进展

Ga₂O₃是一种新型宽禁带半导体材料,禁带宽度约为4.8 eV,临界击穿电场理论上可高达8 MV/cm, Baliga优值超过3 000,因此在制作功率器件方面有很大的潜力。Ga₂O₃是继SiC和GaN之后制作高性能半导体器件的优选材料,近年来受到了广泛的关注。介绍了Ga₂O₃材料的基本物理性质,分析了Ga₂O₃基肖特基势垒二极管(SBD)的优势及存在的问题。重点从器件工艺、结构和边缘终端技术等角度评述了优化Ga₂O₃基SBD性能的方法,并对Ga₂O₃基SBD的进一步发展趋势进行了展望。     

阳极刻蚀提升Ga2O3肖特基势垒二极管击穿特性

提出了一种采用阳极刻蚀提升Ga₂O₃肖特基势垒二极管(SBD)击穿特性的新方法。基于氢化物气相外延(HVPE)法生长的Ga₂O₃材料制备了Ga₂O₃纵向SBD。在完成阳极制备后，对阳极以外的Ga₂O₃漂移区进行了不同深度的刻蚀，刻蚀完成后，在器件表面生长了SiO₂介质层，随后制备了场板结构。测试结果显示，刻蚀后器件的比导通电阻小幅上升，而反向击穿电压均大幅提升。刻蚀深度为300 nm的β-Ga₂O₃ SBD具有最优特性，其比导通电阻(R_{on, sp})为2.5 mΩ·cm²,击穿电压(V_br)为1 410 V,功率品质因子(FOM)为795 MW/cm²。该研究为高性能Ga₂O₃ SBD的制备提供了一种新方法。     

超宽禁带半导体α-Ga2O3肖特基二极管仿真研究

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的超宽禁带半导体材料,与目前常用的半导体材料SiC和GaN相比,具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强等优良特性。设计了一种基于α-Ga₂O₃的垂直型肖特基二极管(SBD),采用场板终端结构降低阳极边缘电场强度,研究了不同绝缘材料下阳极附近的电场分布,并探讨了场板结构与长度对其击穿特性的影响。仿真结果表明,在选取HfO₂作为α-Ga₂O₃垂直型SBD场板结构的绝缘材料时,场板结构可以增大该器件的反向击穿电压,最大反向击穿电压可达约1 100 V,对于现实中制备α-Ga₂O₃ SBD具有非常重要的参考意义。     

磁控溅射工作压强对β-Ga2O3薄膜特性的影响

作为新兴的第三代半导体材料,β-Ga₂O₃高质量薄膜是制备高效Ga₂O₃基器件的基础,β-Ga₂O₃薄膜的制备、表征及光电特性的研究具有深刻的意义。通过分析研究磁控溅射工作压强变化对薄膜性能和形貌的影响,为制备更高质量的薄膜提供了一种新的方法。基于射频磁控溅射方法,在单晶c面蓝宝石(Al₂O₃)衬底上沉积生长Ga₂O₃薄膜,并进行900℃、90min的氮气退火处理,以得到β-Ga₂O₃薄膜。沉积过程不改变其他实验参数,仅改变工作压强,研究工作压强对β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征结果显示,β-Ga₂O₃薄膜具有不同取向的衍射峰,沿着■晶向择优生长,薄膜呈多晶状态。适当增大工作压强可使β-Ga<...     

超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流,而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展,包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

超宽禁带半导体AlN功率电子学的新进展(续)

以SiC和GaN为代表的第三代半导体功率电子学已成为当今功率电子学创新发展的主流，而有可能成为下一代固态功率电子学的超宽禁带半导体AlN功率电子学和同类的Ga₂O₃、金刚石功率电子学同样受到人们的关注。介绍了AlN功率电子学在AlN功率二极管、AlN功率高电子迁移率晶体管(HEMT)、AlN增强GaN HEMT和AlN的热管理应用等方面的最新进展，包括AlN异质多层外延结构、超晶格量子阱结构、AlN功率器件新结构设计、AlN新器件工艺、AlN超薄势垒层、AlN缓冲层、AlN钝化层、AlN耦合沟道层、AlN及其合金的热阻和AlN多晶陶瓷热导率等。分析评价了AlN功率电子学的发展、关键技术进步和发展态势。     

具有界面依赖光致发光的双层WS2/Ga2O3异质结的能带工程(英文)

利用垂直WS₂/Ga₂O₃异质结构中异质界面诱导了反常的光致发光(PL)发射。垂直堆栈的WS₂/Ga₂O₃异质界面使其形成了II型能带结构,导致与Ga₂O₃层接触的底层WS₂的PL强度下降。而异质界面的强耦合作用也影响了双层WS₂中的同质层间相互作用,使得上层WS₂出现反常的PL增强。这种堆栈新型二维异质结构为定制目标能带结构并控制其光子和电子行为提供一种新的手段。     

Heterogeneous integration technology for the thermal management of Ga2O3 power devices

<正>The more severe phonon-phonon scattering in gallium oxide(Ga₂O₃) crystals leads to lower thermal conductivity compared to most other semiconductor materials. To address this issue and enhance the heat dissipation in Ga₂O₃ devices, one practical solution is to integrate Ga₂O₃ with a highly thermally conductive substrate, such as SiC and Si. Currently,there are three methods employed for the heterogeneous integration of Ga<...     

Improvement of Ga2O3 vertical Schottky barrier diode by constructing NiO/Ga2O3 heterojunction

The high critical electric field strength of Ga₂O₃ enables higher operating voltages and reduced switching losses in power electronic devices. Suitable Schottky metals and epitaxial films are essential for further enhancing device performance.In this work, the fabrication of vertical Ga₂O₃ barrier diodes with three different barrier metals was carried out on an n–-Ga₂O₃homogeneous epitaxial film deposited on an n+-β-Ga₂...     

Preparation of Sn-doped Ga2O3 thin films and their solar-blind photoelectric detection performance

Sn doping is an effective way to improve the response rate of Ga₂O₃ film based solar-blind detectors. In this paper,Sn-doped Ga₂O₃ films were prepared on a sapphire substrate by radio frequency magnetron sputtering. The films were characterized by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and ultraviolet visible spectroscopy, and the effect of annealing atmosphere on the properties of films was studied. The Ga     

Preface to Special Issue on Towards High Performance Ga2O3 Electronics: Epitaxial Growth and Power Devices(Ⅰ)

<正>There is currently great optimism within the electronics community that gallium oxide(Ga₂O₃) ultra-wide bandgap semiconductors have unprecedented prospects for eventually revolutionizing a rich variety of power electronic applications. Specially, benefiting from its ultra-high bandgap of around 4.8 eV, it is expected that the emerging Ga₂O₃ technology would offer an exciting platform to deliver massively enhanced device performance for power e...     

增强型β-Ga2O3/4H-SiC异质结VDMOS的设计与研究

由于β-Ga₂O₃材料难以形成P型掺杂，目前β-Ga₂O₃功率器件大多为无结耗尽型。为了解决β-Ga₂O₃器件难以形成增强型的问题，提出了一种具有β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(VDMOS)。添加P型4H-SiC后，利用形成的PN结的单向导通性得到了正阈值电压，实现了增强型器件。使用Sentaurus TCAD仿真软件模拟了器件结构并研究了其电学特性，通过调节SiC厚度、SiC沟道浓度、外延层厚度和外延层浓度四个重要结构参数，对器件的功率品质因数进行优化设计。优化后的器件具有1.62 V的正阈值电压、39.29 mS/mm的跨导以及5.47 mΩ·cm²的比导通电阻。最重要的是器件的关态击穿电压达到了1838 V,功率品质因数高达617 MW/cm²。结果表明，该β-Ga₂O₃/...     

Preface to Special Issue on Towards High Performance Ga2O3 Electronics:Power Devices and DUV Optoelectronic Devices(Ⅱ)

<正>Gallium oxide(Ga₂O₃) has garnered world-wide attention as an ultrawide-bandgap semiconductor material from the area of power electronics and DUV optical devices benefiting from its outstanding electronic and optoelectronic properties. For one thing, since Ga₂O₃ features high critical breakdown field of 8 MV/cm and Baliga’s figure of merit(BFOM) of 3444, it is a promising candidate for advanced high-power applications. For another thing,     

Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition of Amorphous Ga2O3 for Solar-Blind Photodetection

Wide-bandgap gallium oxide(Ga₂O₃) is one of the most promising semiconductor materials for solar-blind(200 nm to 280 nm) photodetection. In its amorphous form, amorphous gallium oxide(a-Ga₂O₃) maintains its intrinsic optoelectronic properties while can be prepared at a low growth temperature, thus it is compatible with Si integrated circuits(ICs) technology. Herein, the a-Ga₂O₃ film is directly deposited on pre-fabricated Au inter...     

CVD法制备的高结晶质量二维β-Ga2O3薄膜性质研究

为了能够得到高质量的薄膜,降低实验成本,通过化学气相沉积(CVD)方法以GaTe粉作为Ga源在云母衬底上合成了β-Ga₂O₃薄膜。通过改变生长温度、载气和生长时间得到高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,并通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱进行证实。XRD结果显示,薄膜的最佳生长温度为750℃。对比不同载气下合成的β-Ga₂O₃薄膜可知,Ar气是生长薄膜材料的最佳环境。为了实现高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,在Ar气环境下改变薄膜的生长时间,XRD结果发现,生长时间20 min的薄膜具有高结晶质量。最后,将其转移到300 nm厚氧化层的Si/SiO₂衬底上,并通过原子力显微镜测试,证实了16 nm厚的二维Ga₂O₃薄膜。     

基于MIS电容器的Al2O3与In0.74Al0.26As的界面特性

采用In_0.74Al_0.26As/In_0.74Ga_0.26As/In_xAl_1-xAs异质结构多层半导体作为半导体层,制备了金属-绝缘体-半导体（MIS）电容器。其中,SiN_x和SiN_x/Al₂O₃分别作为MIS电容器的绝缘层。高分辨率透射电子显微镜和X射线光电子能谱的测试结果表明,与通过电感耦合等离子体化学气相沉积生长的SiN_x相比,通过原子层沉积生长的Al2_O3可以有效地抑制Al₂O₃和In_0.74Al_0.26As界面的In₂O₃的含量。根据MIS电容器的电容-电压测量结果,计算得到SiN_x/Al₂O₃/In...     

磁控溅射氧氩体积流量比对β-Ga2O3薄膜的影响

利用射频磁控溅射在c面单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制备Ga₂O₃薄膜,研究了溅射过程中通入氧气与氩气的体积流量比对经过异位高温后退火处理得到的β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜进行表征,结果表明β-Ga₂O₃薄膜沿着■晶面择优生长,具备较好的单一取向性。在氧氩体积流量比约为1∶20时,薄膜的结晶性能相对较好、表面晶粒分布较均匀、均方根粗糙度较小、晶粒尺寸较大。此外,吸收光谱表征结果表明,不同氧氩体积流量比下制备得到的β-Ga₂O₃薄膜的带隙变化范围为4.53～4.64 eV,在较低氧氩体积流量比下制备的β-Ga₂O₃薄膜表现出较优的光学性质,在波长200～300 nm内具有较好的吸收特性,表现出良好的深紫外光学特性。     

α-Ga2O3基SBD场板结构与电流台阶的关联研究

作为典型的超宽禁带半导体，氧化镓(Ga₂O₃)逐渐以新型功率器件优选材料的身份成为研究热点。近年来它的亚稳态α相因具有相对最宽的带隙，且与蓝宝石、氮化镓相似的六角晶格而受到关注。研究了α-Ga₂O₃基肖特基二极管器件，在TCAD仿真结果中发现反向偏置的I-V特性中出现了电流台阶。通过调节可能影响电流台阶的主要因素：漂移区厚度、掺杂浓度和场板结构，发现击穿特性中的电流台阶随着漂移区厚度的增加而变长，但对掺杂浓度变化的依赖性较弱，解释了漂移区在反偏电场作用下的耗尽过程是电流台阶的产生机制。采用分段场板结构可以优化漂移区的电场分布并提高器件击穿电压，器件击穿的最大电场强度超过10 MV/cm。对电流台阶机制的分析结果有助于抑制器件泄漏电流，提高耐压范围。     

喷涂功率对稀土元素掺杂氧化锆涂层微波介电性能的影响

以Yb₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂为原材料,采用固相反应法合成了锆酸钆钇镱(YGYZ)陶瓷粉末,采用等离子喷涂技术在不同喷涂功率下制备了YGYZ涂层。系统研究了喷涂功率变化对涂层微观结构、物相组成、孔隙率、介电常数以及力学性能的影响。结果表明,随着喷涂功率的升高,涂层内部会产生应力,涂层的密度和介电常数随之升高,而涂层的孔隙率、介电损耗和显微硬度则随之降低。喷涂功率为65kW时,涂层微波介电常数最小,其值为13.31,对应的介电损耗为3.8×10^-2。采用镱、钆和钇稀土元素掺杂的氧化锆涂层具有较低的介电常数和较高的热稳定性,在航空发动机领域具有应用前景。