超宽禁带半导体Ga2O3微电子学研究进展

半导体材料Ga2O3是继宽禁带半导体材料SiC/GaN之后新兴的直接带隙超宽禁带氧化物半导体,其禁带宽度为4.5~4.9eV,击穿电场强度高达8MV/cm(是SiC及GaN的2倍以上),物理化学稳定性高,在发展下一代电力电子学和固态微波功率电子学领域具有较大的潜力。自2012年第一只Ga2O3场效应晶体管诞生以来,Ga2O3微电子学的研究呈现快速发展态势。本文综述了β-Ga2O3单晶材料和外延生长技术以及β-Ga2O3二极管和β-Ga2O3场效应管等方面的研究进展,介绍了β-Ga2O3材料和器件的新工艺、新器件结构以及性能测试结果,分析了相关技术难点和创新思路,展望了Ga2O3微电子学未来的发展趋势。     

导模法生长大尺寸高质量β-Ga2O3单晶

以高纯Ga2O3为原料,使用自主设计的单晶生长炉,采用导模(EFG)法生长了2英寸(1英寸=2.54 cm)未掺杂的高质量β-Ga2O3单晶.研究了保护气氛对抑制Ga2O3原料高温分解速率的影响,对制备的β-Ga2O3单晶的晶体质量、位错和光学性能进行了测试和表征.结果表明,CO2保护气氛能够极大地抑制Ga2O3材料的高温分解,当CO2生长气压为1.5×105 Pa时,Ga2O3的平均分解速率低于1 g/h.(100)面β-Ga2O3单晶的X射线衍射(XRD)摇摆曲线测试结果表明,其半高宽低至29 arcsec,表明晶体具有较高的质量;对晶体(100)面进行了位错腐蚀,结果显示其位错密度较低,约为4.9×104 cm-2;傅里叶变换红外光谱仪测试结果显示,β-Ga2O3单晶在紫外、可见光透过率达到80％以上.     

β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用现状北大核心

单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）超宽带半导体材料具有优良的电学、光学特性以及较高的物理化学稳定性,在大功率器件、紫外探测器以及气体传感器等技术领域具有巨大的应用前景,近年来已成为国际研发的热点。概述了β-Ga2O3半导体材料的特性优势。综述了β-Ga2O3在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器、衬底材料以及GaN器件栅介质领域的研发和应用现状。最后,分析了β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用前景,指出大功率半导体器件领域和日盲深紫外探测器领域将是未来发展的重要方向。     

基于HfO2栅介质的Ga2O3 MOSFET器件研制

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在(010) Fe掺杂半绝缘Ga2O3同质衬底上外延得到n型β-Ga2O3薄膜材料,材料结构包括400 nm的非故意掺杂Ga2O3缓冲层和40 nm的Si掺杂Ga2O3沟道层.基于掺杂浓度为2.0×1018 cm-3的n型β-Ga2O3薄膜材料,采用原子层沉积的25 nm的HfO2作为栅下绝缘介质层,研制出Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET).器件展示出良好的电学特性,在栅偏压为8V时,漏源饱和电流密度达到42 mA/mm,器件的峰值跨导约为3.8 mS/mm,漏源电流开关比达到108.此外,器件的三端关态击穿电压为113 V.采用场板结构并结合n型Ga2O3沟道层结构优化设计能进一步提升器件饱和电流和击穿电压等电学特性.     

双反应源气体HVPE生长α-Ga2O3的仿真优化研究

使用数值模拟的方法,对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化.区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构,使用了外置Ga源的方法,可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度.另外,使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能,通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能.在此基础上,对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟,并给出了 α-Ga2O3的优化生长条件.     

β-Ga_2O_3薄膜的分子束外延生长及其紫外光敏特性研究

采用分子束外延(MBE)方法在Al2O3(0001)基片上生长了β-Ga2O3薄膜,利用XRD、SEM和AFM对薄膜的结构和形貌特性进行了表征。制作了基于β-Ga2O3薄膜的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器并对其进行了电学特性测试,结果表明:在20 V偏压下,器件的暗电流为8 nA;在波长为254 nm、光照强度为13×10–6W/cm2的紫外光照射下,器件的光电流为624 nA;器件的光电流与暗电流比值为78,光响应度达360 A/W,表现出明显的日盲紫外光响应特性。     

一种肖特基势垒增强型N-AlGaN基MSM日盲紫外光电探测器

研制一种以薄的高阻Al Ga N覆盖层作为肖特基势垒增强层的N-Al Ga N基金属-半导体-金属(MSM)日盲紫外光电探测器。与无覆盖层的参考器件相比,覆盖高阻Al Ga N层后探测器的暗电流大幅度减小。在5 V偏压下,覆盖高阻Al Ga N层的光电探测器的暗电流为1.6 p A,响应度为22.5 m A/W,日盲紫外抑制比大于103,探测率为6.3×1010cm·Hz1/2/W。     

二维层状材料异质结光电探测器研究进展（特邀）

自石墨烯时代以来,具有独特物理、化学和光电特性的二维层状材料(Two-Dimensional Layered Materials,2DLMs)得到了国内外科研人员的广泛关注。2DLMs因其种类的多样化与带隙的层数依赖性,光谱响应范围覆盖了紫外到红外辐射的极宽波段,具有应用于新一代光电探测器件的潜力。此外,2DLMs不受晶格匹配的限制,能以范德瓦尔斯力(Van der Waals,vdWs)与其他维度材料如体材料、纳米线和量子点等结合,制备得到性能独特且优异的复合结构器件。文中概述了几种应用在光电探测器领域的新型2DLMs异质结光电探测器的研究进展,主要包括基于二硒化钨(WSe₂)、黑砷磷(AsP)、三硫化铌(NbS₃)、二硒化钯(PbSe₂)等异质结光电探测器,这些异质结光电探测器在异质结器件结构设计与新型二维半导体工艺技术应用方面做出了创新,在器件增益、结整流比、响应速度与波长探测范围等多个重要器件性能方面获得了突破性的研究成果。同时,文中还简要分析了这类器件研究当前所面临的挑战,并对其未来的发展方向进行了展望。     

Ga2O3功率器件研究现状和发展趋势

氧化镓(Ga2O3)超宽禁带半导体材料在高频大功率器件领域具有巨大的应用潜力和前景,近几年已成为国内外研发的热点.概述了Ga2O3半导体材料在功率器件应用领域的特性优势和不足,重点介绍了日本、美国和国内的Ga2O3功率半导体器件的研发现状.详细介绍了目前Ga2O3肖特基势垒二极管(SBD)、Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以及新型Ga2O3功率器件的最新研究成果.归纳出提高Ga2O3单晶和外延材料质量、优化Ga2O3功率器件结构和制造工艺是Ga2O3功率器件未来的主要发展趋势,高功率、高效率、高可靠性和低成本是Ga2O3功率器件未来的主要发展目标.最后总结了我国与美国、日本在Ga2O3功率半导体领域的技术发展差距,以及对未来我国在Ga2O3功率半导体技术方面的发展提出了建议.     

基于石墨烯/铟砷量子点/砷化镓异质结新型光电探测器

研究了一种石墨烯/铟砷量子点/砷化镓界面形成的异质结探测器的暗电流特性以及光电响应性质.虽然石墨烯具有很高的电子迁移率,但受限于较低的光子吸收率,使其在光电探测领域的应用受到了限制.而半导体量子点具有量子效率高,光吸收能力强等独特优点.于是利用石墨烯-砷化铟量子点-砷化镓异质结结构制备了一种新型光电探测器.并对该探测器的响应率、I-V特性曲线、暗电流特性、探测率、开关比等关键性能进行了研究.其在637 nm入射光情况下的响应率、探测率以及开关比可分别达到为17. 0 m A/W、2. 3×10~(10)cm Hz~(1/2)W~(-1)和1×10~3.而当入射光为近红外波段的940纳米时,响应率进一步增加到了207 m A/W.同时,还证实了该器件的暗电流、肖特基势垒高度和理想因子对温度的都具有较高的依赖性都较强.     

Enhancement of photodetection based on perovskite/MoS2 hybrid thin film transistor

Perovskite/MoS₂ hybrid thin film transistor photodetectors consist of few-layered MoS₂ and CH₃NH₃PbI₃ film with various thickness prepared by two-step vacuum deposition. By implementing perovskite CH₃NH₃PbI₃ film onto the MoS₂ flake, the perovskite/MoS₂ hybrid photodetector exhibited a photoresponsivity of 10⁴A/W and fast response time of about 40 ms. Improvement of photodetection performance is attributed to the balance between light absorption in the perovskite layer and an effective transfer of photogenerated carriers from perovskite entering the MoS₂ channel. This work may provide guidance to develop high-performance hybrid structure optoelectronic devices.     

Co3O4/Fe2O3异质结复合材料的制备及其紫外光光电探测性能

分别采用旋涂法和水热法在FTO衬底上制备Co₃O₄种子层和Co₃O₄薄膜,再在Co₃O₄薄膜上水热生长Fe₂O₃纳米棒,获得了高质量的Co₃O₄/Fe₂O₃异质结复合材料。通过改变Fe₂O₃前驱体溶液浓度来改变异质结复合材料中Fe₂O₃组分的含量。结果表明,Fe₂O₃纳米棒覆盖在呈网状结构的Co₃O₄薄膜上,随着Fe₂O₃前驱体溶液浓度即Fe₂O₃组分含量的增加,Co₃O₄/Fe₂O₃异质结复合材料对紫外光的响应逐渐增强,当Fe₂O₃前驱体溶液浓度为0.015mol/L时,异质结复合材料有着很好的光电稳定性,并表现出较高的响应率(12.5mA/W)和探测率(4.4×10¹⁰Jones)。     

Excellent performance of gas sensor based on In2O3-Fe2O3 nanotubes

In₂O₃-Fe₂O₃ nanotubes are synthesized by an electrospinning method. The as-synthesized materials are characterized by scanning electron microscope and X-ray powder diffraction. The gas sensing results show that In₂O₃-Fe₂O₃ nanotubes exhibit excellent sensing properties to acetone and formaldehyde at different operating temperatures. The responses of gas sensors based on In₂O₃-Fe₂O₃ nanotubes to 100 ppm acetone and 100 ppm formaldehyde are 25 (240℃) and 15 (260℃), and the response/recovery times are 3/7 s and 4/7 s, respectively. The responses of In₂O₃-Fe₂O₃ nanotubes to 1 ppm acetone (240℃) and formaldehyde (260℃) are 3.5 and 1.8, respectively. Moreover, the gas sensor based on In₂O₃-Fe₂O₃ nanotubes also possesses an excellent selectivity to acetone and formaldehyde.     

New TIT capacitor with ZrO2/Al2O3/ZrO2 dielectrics for 60 nm and below DRAMs

New ZrO₂/Al₂O₃/ZrO₂ (ZAZ) dielectric film was successfully developed for DRAM capacitor dielectrics of 60 nm and below technologies. ZAZ dielectric film grown by ALD has a mixture structure of crystalline phase ZrO₂ and amorphous phase Al₂O₃ in order to optimize dielectric properties. ZAZ TIT capacitor showed small Tox.eq of 8.5 Å and a low leakage current density of 0.35 fA/cell, which meet leakage current criteria of 0.5 fA/cell for mass production. ZAZ TIT capacitor showed a smaller cap leak fail bit than HAH capacitor and stable leakage current up to 550 °C anneal. TDDB (time dependent dielectric breakdown) behavior reliably satisfied the 10-year lifetime criteria within operation voltage range.     

共沉淀法制备Y2O2SO4:Eu3+荧光粉及其光致发光研究

采用商业Y(NO3)3·6H2O、Eu(NO3)3·6H2O、(NH4)2SO4和NaOH为实验原料,通过共沉淀法制备了Y2O2SO4:Eu3+荧光粉。利用热分析(DTA-TG-DTG)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光(PL)光谱等手段对合成的粉体进行了表征。结果表明,当(NH4)2SO4引入到反应体系中时,前驱体具有非晶态结构,且在空气气氛中800℃煅烧2h能转化为单相的Y2O2SO4粉体,该Y2O2SO4粉体呈准球形,粒径范围分布在0.5~1.0μm之间,团聚较严重。PL光谱分析表明,在270nm紫外光激发下,Y2O2SO4:Eu3+荧光粉呈红光发射,主发射峰位于620nm,归属于Eu3+的5D0→7F2跃迁。Eu3+的猝灭浓度是5 mol%,其对应的荧光寿命为1.22 ms。另外,当(NH4)2SO4未引入到反应体系中时,采用类似的方法合成了Y2O3:Eu3+荧光粉,并对Y2O2SO4:Eu3+和Y2O3:Eu3+荧光粉的PL性能进行了比较。     

CH3NH3PbI3/p-Si异质结的光电特性研究

利用一步溶液法在p型Si衬底上生长有机/无机杂化钙钛矿CH3NH3PbI3薄膜,构成CH3NH3PbI3/p-Si异质结。利用原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)对薄膜形貌和结构进行表征,通过无光照和有光照条件下的电流-电压(I-V)、电容-电压(C-V)测试对异质结的光电特性进行研究。I-V测试结果显示CH3NH3PbI3/p-Si异质结具有整流特性,正反偏压为±5V时,整流比大于70,并在此异质结上观察到了光电转换现象,开路电压为10mV,短路电流为0.16uA。C-V测试结果显示Ag/CH3NH3PbI3/p-Si异质结具有与MIS(金属-绝缘层-半导体)结构相似的C-V特性曲线,与理想MIS的C-V特性曲线相比,异质结的C-V曲线整体沿电压轴向正电压方向平移。C-V特性曲线的这种平移表明Ag/CH3NH3PbI3/p-Si异质结界面存在界面缺陷,CH3NH3PbI3层也可能存在固定电荷。这种界面缺陷是导致CH3NH3PbI3/p-Si异质结开路电压的大幅度降低的重要原因。此外,CH3NH3PbI3薄膜的C-V测试结果显示其具有介电非线性特性,其介电常数约为4.64。     

用溶胶-凝胶法制备的Cu2Bi2Cr2O8薄膜 及其光学和铁磁性能研究

以硝酸铜Cu(NO₃)₂·3H₂O、硝酸铬Cr(NO₃)₃·9H₂O、硝酸铋Bi(NO₃)₃·3H₂O和乙二醇为原料,利用溶胶-凝胶工艺在石英衬底上制备了纳米Cu₂Bi₂Cr₂O₈薄膜。通过X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)和拉曼测试对样品进行了表征。结果表明,Cu₂Bi₂Cr₂O₈薄膜具有良好的光学特性,其禁带宽度为1.49 eV;在磁性测试方面,Cu₂Bi₂Cr₂O₈薄膜呈现出了良好的铁磁性。     

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。     

In0.53Ga0.47As表面氮化和硫钝化对其Al/Al2O3/InGaAs MOS电容特性的影响

本文通过对比频散特性和滞回特性,计算界面态密度D_it和有效边界缺陷密度ΔN_bt,分析界面缺陷和漏电流等方法,系统的研究了In_0.53Ga_0.47As表面氮化和硫钝化对其Al/Al₂O₃/InGaAs结构MOS电容特性的影响。实验结果表明,这两种方法都能够在InGaAs表明形成一层界面钝化层。相比较于未处理的样品,经过氮气等离子体处理的样品表现出较好的界面特性,得到了最小的积累区频散、滞回电压,以及良好的I-V性能。经过(NH₄)₂S_x处理的样品则获得了最小的平带电压区频散以及最低的界面态密度Dit=2.6E11cm_-2eV_-1.     

Effects of annealing schedule on orientations of Bi3.2Nd0.8Ti3O12 ferroelectric films prepared by metalorganic solution deposition

Fatigue-free Bi_3.2Nd_0.8Ti₃O₁₂ ferroelectric thin films were successfully prepared on p-Si(1 1 1) substrate using metalorganic solution deposition process. The orientation and formation of thin film under different annealing schedules were studied using XRD and AFM. XRD analysis indicated that (2 0 0)-oriented films with degree of orientation of I₍₂₀₀₎/I₍₁₁₇₎ = 2.097 and 0.466 were obtained by preannealing the film at 400 °C for 10 min followed by rapid thermal annealing at 700 °C for 3 min, 10 min and 20 min, respectively, (0 0 8)-oriented film with degree of orientation of I₍₀₀₈₎/I₍₁₁₇₎ = 1.706 were obtained by rapid thermal annealing the film at 700 °C for 3 min without preannealing, and (0 0 8)-oriented film with degree of orientation of I₍₀₀₈₎/I₍₁₁₇₎ = 0.719 were obtained by preheating the film from room temperature to 700 °C at 20 °C/min followed by annealing for 10 min. The a-axis and c-axis orientation decreased as increase in annealing time due to effects of (1 1 1)-oriented substrate. AFM analysis further indicated that preannealing at 400 °C for 10 min followed by rapid thermal annealing at 700 °C for 3 min resulted in formation of platelike crystallite parallel to substrate surface, however rapid thermal annealing at 700 °C for 3 min without preannealing resulted in columnar crystallite perpendicular to substrate surface.