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。     

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.     

一种柔性自供电Ga2O3基日盲光电探测器的设计及性能研究北大核心CSCD

近年来,氧化镓(Ga2O3)日盲光电探测器因其高灵敏度和低虚警率及广泛的应用前景,受到了科学家们的高度关注.为了满足现代社会对低损耗、环保、高集成、轻便和柔性器件的需求,可自供电的柔性器件备受关注.然而,到目前为止,Ga2O3基柔性自供电光电探测器鲜有报道.本文通过原位生长技术在耐高温的柔性衬底玻璃纤维布上生长了β-Ga2O3纳米线,并构筑Ag/β-Ga2O3肖特基结.在肖特基结的作用下,光生载流子可在无外加偏压下分离和传输,并展现出超低的暗电流(0.2 pA)、高光暗比(～500)、快响应时间(0.46/0.41 s)和高探测率(6.8×109 Jones).该探测器也表现出良好的机械性能.结果表明,Ag/β-Ga2O3肖特基结探测器在深紫外探测器领域具有广阔的应用前景,为柔性自供电探测技术的发展提供了新的思路.     

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。     

氧分压对磁控溅射β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理,在5.08 cm(2 inch)c-plane蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜,研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响.通过调控氧分压,获得了具有{-2 01}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜,其最大晶粒尺寸达到138 nm,在300～800 nm波段透射率大于80％,最大光学带隙达5.12 eV.最优的薄膜表面粗糙度达0.401 nm,800 nm波长处折射率为1.94.实验结果表明,降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多,从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙;适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度,并提高致密度.     

Zn掺杂β-Ga2O3薄膜的结构和光学性质

用射频磁控溅射制备了本征β-Ga2O3薄膜及Zn掺杂β-Ga2O3薄膜,研究了Zn掺杂和热退火对薄膜结构和光学性质的影响。与本征β-Ga2O3薄膜相比, Zn掺杂β-Ga2O3薄膜的微结构、光学透过、光学吸收、光学带隙以及光致发光等都发生了显著的变化。退火后的β-Ga2O3薄膜为多晶结构,Zn掺杂以后β-Ga2O3薄膜的光学带隙变窄,薄膜的结晶性变差,薄膜的光学透过降低,薄膜的紫外、蓝光及绿光发射加强。     

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.     

大尺寸β-Ga2O3晶片的机械剥离及性能北大核心

针对β—Ga2O3单晶易解理的特性,研究了晶体形状对其（100）主解理面的机械剥离影响。结果表明,棱角较为平缓的体单晶机械剥离时容易出现碎裂,而棱角尖锐的体单晶极易实现机械剥离,并且成功剥离出尺寸大于30mm×10mm的β-Ga2O3单晶片。测试了剥离的β-Ga2O3单晶片微观形貌、表面粗糙度、晶体质量以及位错。结果显示,剥离的β-Ga2O3单晶片具有高的表面质量;原子力显微镜（AFM）测试表明,晶片整体表面粗糙度小于1nm,存在0．5～1nm厚的原子台阶;晶片X射线衍射（XRD）摇摆曲线测试显示,其半高宽（FWHM）值低至50arc-sec,表明晶体具有较高的质量;对晶片进行位错腐蚀,结果显示制备的β-Ga2O3晶片具有较低的位错密度,约为6×10^4cm^-2。     

用第一性原理研究F掺杂β-Ga2O3的电子结构和光学性质

研究F掺杂浓度对β-Ga2O3的几何结构、电子结构和光学性质的影响。F掺杂β-Ga2O3在富Ga条件下容易制备,随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的稳定性增强,结构参数变大。F掺杂β-Ga2O3是一种n型半导体材料,导带中的占据态由Ga 4s、Ga 4p和O 2p态组成,占据态随F掺杂浓度的增加而增加。随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的禁带宽度收缩,占据态展宽。F掺杂β-Ga2O3的吸收谱呈现陡峭的带边吸收和宽的吸收带。随F掺杂浓度的提高,F掺杂β-Ga2O3的带边吸收蓝移,宽带吸收的强度增强。宽带吸收是由导带中的占据态向空态带内跃迁产生的。     

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。     

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.     

GaN 基材料生长及其在光电器件领域的应用

GaN具有禁带宽，热导率高，电子饱和漂移速度大和介电常数小等特点，在高度亮发光二极管，短波长激光二极管，高性能紫外探测器和高温，高频，大功率半导体器件等领域有着广泛的应用前景。本文介绍了GaN基半导体材料的制备方法，异质结构以及在光电子和微电子器件领域的应用，并讨论了今后的发展趋势。     

新一代功率半导体β-Ga_2O_3器件进展与展望

Ga_2O_3是一种新兴的超宽禁带半导体材料,具有超宽带隙4.8 eV、超高理论击穿电场8 MV/cm以及超高的Baliga品质因数等优良特性,作为下一代高功率器件材料其越来越受到人们的关注。首先,回顾了宽禁带半导体材料β-Ga_2O_3的基本性质,包括β-Ga_2O_3的晶体结构和电学性质,简述了基于β-Ga_2O_3制造的功率器件,主要包括肖特基势垒二极管(SBD)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。总结回顾了β-Ga_2O_3SBD和MOSFET近年来的研究进展,比较了不同结构器件的特性,并分析了目前β-Ga_2O_3功率器件存在的问题。分析表明,β-Ga_2O_3用于高功率和高压电子器件具有巨大潜力。     

Growth and characterization of 2-inch high quality β-Ga2O3 single crystals grown by EFG method

β-Ga2O3 is an ultra-wide band-gap semiconductor with promising applications in UV optical detectors,Schottky barrier diodes,field-effect transistors and substrates for light-emitting diodes.However,the preparation of large β-Ga2O3 crystals is undeveloped and many properties of this material have not been discovered yet.In this work,2-inch β-Ga2O3 single crystals were grown by using an edge-defined film-fed growth method.The high quality of the crystal has been proved by high-resolution X-ray diffraction with 19.06 arcsec of the full width at half maximum.The electrical properties and optical properties of both the unintentionally doped and Si-doped β-Ga2O3 crystals were investigated systematically.     

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.     

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。     

热氧化GaN制备的β-Ga2O3基日盲紫外探测器

利用热氧化法将电化学腐蚀制备的多孔GaN薄膜氧化成三维孔隙状β-Ga₂O₃薄膜,分析了多孔GaN薄膜与传统GaN薄膜在氧化机理上的区别,并通过材料表征证明了多孔GaN薄膜能够实现更快的氧化速率。随后将氧化生成的β-Ga₂O₃薄膜制备成MSM型β-Ga₂O₃基日盲紫外探测器,在260nm光照及10V偏压下,器件的响应度为16.9A/W,外量子效率为8×10³%,探测率D*达到了2.03×10¹⁴Jones,能够满足弱光信号的探测需求。此外,器件的瞬态响应具有非常好的稳定性,相应的上升时间为0.75s/4.56s,下降时间为0.37s/3.48s。     

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     

High Purity and Large-scale Preparation of β-Ga2O3 Nanowires and Nanosheets by CVD and Their Raman and Photoluminescence Characteristics

Ga2O3 nano-structures, nanowires and nanosheets are produced on Au pre coated（111） silicon substrates with chemical vapor deposition（CVD） technique. By evaporating pure Ga powder in the H2O atmosphere under ambient pressure the large-scale preparation of β-Ga2O3 with monoclinic crystalline structure is achieved. The crystalline structures and morphologies of produced Ga2O3 nano-structures are characterized by means of scanning electron microscope（SEM）, X-ray diffraction（XRD）, selected area electron diffraction （SAED） and transmission electron microscope（TEM）. Raman spectrum reveals the typical vibration modes of Ga2O3 The vibration mode shifts corresponding to Ga2O3 nano-structures are not found. Two distinguish photoluminescence（PL） emissions are found at about 399 nm and 469 nm owing to the VO-VGa excitation and VO-VGaO excitation, respectively. The growth mechanisms of Ga2O3 nanowires and nanosheets are discussed with vapor liquid-solid（VLS） and vapor-solid（VS） mechanisms.