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。     

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。     

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<...     

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。     

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/...     

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。     

Large-area β-Ga2O3 Schottky barrier diode and its application in DC–DC converters

We demonstrate superb large-area vertical β-Ga₂O₃ SBDs with a Schottky contact area of 1 × 1 mm² and obtain a high-efficiency DC–DC converter based on the device. The β-Ga₂O₃ SBD can obtain a forward current of 8 A with a forward voltage of 5 V, and has a reverse breakdown voltage of 612 V. The forward turn-on voltage(VF) and the on-resistance(Ron) are 1.17 V and 0.46 Ω, respectively. The conversion efficiency of the β-Ga₂O_3<...     

室温下β-Ga2O3纳米柱的脆韧转变研究

β-Ga₂O₃的力学性能关系到相关电子器件的制造、封装以及应用,然而目前关于β-Ga₂O₃单晶的力学变形机制研究还相对匮乏。本文研究了(100)β-Ga₂O₃单晶在压应力作用下的力学行为,发现其极易沿着(100)B面脆断,并计算得到该材料的断裂应力范围为314.1～615.1 MPa。进一步揭示了不同长径比、不同直径对β-Ga₂O₃纳米柱力学变形行为的影响,实验结果表明：当长径比>2时,β-Ga₂O₃纳米柱在不同直径下均沿着(100)B面发生脆断;当长径比<2且直径<200 nm时,(100)β-Ga₂O₃发生脆性向塑性的转变,表现为先沿着■面发生滑移,之后沿着(100)B面断裂。最后,讨论了晶体学取向对于小尺寸β-Ga₂O₃塑性的影响,研究结果为理解β-Ga     

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。     

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。     

Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga2O3 films via MOCVD

Homoepitaxial growth of Si-doped β-Ga₂O₃ films on semi-insulating(100) β-Ga₂O₃ substrates by metalorganic chemical vapor deposition(MOCVD) is studied in this work. By appropriately optimizing the growth conditions, an increasing diffusion length of Ga adatoms is realized, suppressing 3D island growth patterns prevalent in(100) β-Ga₂O₃ films and optimizing the surface morphology with [010] oriented stripe features. The slightly Si-...     

导模法生长的β-Ga2O3单晶的位错腐蚀坑显露面

β-Ga₂O₃单晶作为高压大功率器件的衬底,其位错密度直接影响器件的漏电特性,位错腐蚀坑显露面与外延生长密切相关。β-Ga₂O₃单晶属于单斜晶系,对称性低,研究不同晶面位错腐蚀坑的形状与显露面难度较高。对采用导模(EFG)法生长的(001)、■和(010)面β-Ga₂O₃晶片进行腐蚀,采用扫描电子显微镜(SEM)观测腐蚀坑形貌,采用共聚焦激光扫描显微镜对显露面与表面晶面之间的夹角进行表征,根据测试结果可推算出腐蚀坑显露面晶面指数,为衬底和外延生长提供重要的参考依据。     

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...     

Two-step growth of β-Ga2O3 on c-plane sapphire using MOCVD for solar-blind photodetector

In this work,a two-step metal organic chemical vapor deposition(MOCVD) method was applied for growing β-Ga₂O₃ film on c-plane sapphire.Optimized buffer layer growth temperature(T_B) was found at 700℃ and the β-Ga₂O₃ film with full width at half maximum(FWHM) of 0.66° was achieved.A metal-semiconductor-metal(MSM) solar-blind photodetector(PD)was fabricated based on the β-Ga₂O₃ film.Ultrahigh responsivity of 1422 A/W@254 n...     

Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga2O3 films on differently oriented sapphire substrates

This study explores the epitaxial relationship and electrical properties of α-Ga₂O₃ thin films deposited on a-plane, mplane, and r-plane sapphire substrates. We characterize the thin films by X-ray diffraction and Raman spectroscopy, and elucidate thin film epitaxial relationships with the underlying sapphire substrates. The oxygen vacancy concentration of α-Ga₂O₃ thin films on m-plane and r-plane sapphire substrates are higher than α-Ga₂O     

氧分压对脉冲激光沉积β-Ga2O3-δ薄膜光学性能的影响

在不同氧分压下,用脉冲激光沉积法在c-蓝宝石衬底上制备了高质量β-Ga₂O_3?δ薄膜。通过X-射线衍射、远红外反射光谱、X-射线光电子能谱和紫外-可见-近红外透射光谱系统地研究了β-Ga₂O_3?δ薄膜的晶格结构、化学计量比和光学性质。X-射线衍射分析表明,所有沉积的薄膜以(-201)晶向方向生长。透射光谱显示薄膜在255 nm以上的紫外-可见-近红外波段具有80%以上的高透明度,同时在255 nm附近有一个陡峭的吸收边。此外,利用Tauc-Lorentz(TL)色散函数模型和Tauc公式,我们提取了β-Ga₂O_3?δ薄膜的光学常数和光学直接带隙。更进一步,我们通过理论计算解释了氧气分压对β-Ga₂O_3?δ薄膜光学性质的影响。     

Electronic structure and optical properties of F-doped β-Ga2O3 from first principles calculations

The effects of F-doping concentration on geometric structure, electronic structure and optical property of β-Ga₂O₃ were investigated. All F-doped β-Ga₂O₃ with different concentrations are easy to be formed under Ga-rich conditions, the stability and lattice parameters increase with the F-doping concentration. F-doped β-Ga₂O₃ materials display characteristics of the n-type semiconductor, occupied states contributed from Ga 4s, Ga 4p and O 2p states in the conduction band increase with an increase in F-doping concentration. The increase of F concentration leads to the narrowing of the band gap and the broadening of the occupied states. F-doped β-Ga₂O₃ exhibits the sharp band edge absorption and a broad absorption band. Absorption edges are blue-shifted, and the intensity of broad band absorption has been enhanced with respect to the fluorine content. The broad band absorption is ascribed to the intra-band transitions from occupied states to empty states in the conduction band.     

基于超宽β-Ga2O3微米带的日盲光电探测器研究

氧化镓的禁带宽度接近5 eV,是一种极具前景的日盲紫外探测半导体材料。基于碳热还原法生长高质量β-Ga₂O₃微米带制备出MSM(Metal-Semiconductor-Metal)结构光电导紫外探测器,研究了不同的结构对光电器件性能的影响。结果表明等间距叉指电极光电探测器相较于两端电阻型光电探测器有更优异的性能。在10 V/254 nm紫外光照下,其响应度、外部量子效率、比探测率和光响应时间等性能提高明显,其中光电流(I_photo)有接近2个数量级的提升,且-2 V附近光暗电流比值增大至2.29×10⁵。随着叉指电极间距从50μm缩减至20μm,器件I_photo变大,其物理机制归因于阳极附近的耗尽层占据电极间微米带的比例增大引发了更高的光生载流子输运效率。     

Ta/Ta2O5/Cu结构制备及应用性能研究

介绍了以Ta/Ta₂O₅/Cu为结构的平板MIM电容器的制备方法和性能测试,探究金属Cu直接作为钽电解电容器阴极层的可行性。通过阳极氧化法在钽箔表面制备非晶态的Ta₂O₅薄膜,以化学镀铜、磁控溅射镀铜两种镀铜工艺制备Ta/Ta₂O₅/Cu结构,并对所得结构进行结构表征和性能测试。实验结果表明：不同镀铜方式制备的Ta/Ta₂O₅/Cu结构在电学性能测试过程中都没有表现出电容特性,正负极之间的电阻仅有0.7Ω;以金属Cu直接作为钽电容器的阴极层会导致金属铜在测试过程中被氧化成铜离子从而进入Ta₂O₅介质层中,进而导致Ta₂O₅的击穿,因此金属铜不适合直接作为钽电容的阴极层。     

电解液温度对Ta2O5阳极氧化膜结构和性能的影响

磷酸电解液中,采用阳极氧化法在高纯钽箔表面制备Ta₂O₅阳极氧化膜,通过椭圆偏振光谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱和电化学测试等,研究了电解液温度对Ta₂O₅阳极氧化膜结构、化学组成、介电性能和绝缘性能的影响。结果表明,Ta₂O₅阳极氧化膜中结合有少量的电解液阴离子,且结合的阴离子含量和分布深度随电解液温度升高而降低;Ta₂O₅阳极氧化膜介电常数和绝缘强度随电解液温度升高而增大,但过高的温度会促进非晶态Ta₂O₅晶化从而导致氧化膜性能劣化。当电解液温度从25℃升高至85℃时,氧化膜介电常数增大约3.5%,耐击穿电压提高约1%,膜中结合态阴离子的分布深度从氧化膜厚度的约1/2降低至约1/4。基于实验结果,钽在磷酸电解液中的最佳阳极氧化温度是85℃。