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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

超宽禁带半导体金刚石功率电子学研究的新进展

以SiC/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,超宽禁带半导体金刚石功率电子学将有可能成为下一代固态功率电子学的代表,受到研究人员的广泛关注。介绍了金刚石功率电子学的最新进展,如金刚石单晶、金刚石化学气相沉积同质和异质单晶外延、金刚石多晶外延、金刚石二极管、金刚石MOSFET、金刚石结型场效应晶体管、金刚石双极结型晶体管、金刚石逻辑电路、金刚石射频场效应晶体管和金刚石上GaN HEMT等。还介绍了金刚石材料的大尺寸、低缺陷和p型及n型掺杂等制备技术,金刚石新器件结构设计,金刚石新器件工艺,转移掺杂H端-金刚石沟道和金刚石/GaN界面热阻等研究成果。分析了金刚石功率电子学的发展由来、关键技术突破和发展态势。     

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.     

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。     

Silicon carbide benefits and advantages for power electronics circuits and systems

Silicon offers multiple advantages to power circuit designers, but at the same time suffers from limitations that are inherent to silicon material properties, such as low bandgap energy, low thermal conductivity, and switching frequency limitations. Wide bandgap semiconductors, such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN), provide larger bandgaps, higher breakdown electric field, and higher thermal conductivity. Power semiconductor devices made with SiC and GaN are capable of higher blocking voltages, higher switching frequencies, and higher junction temperatures than silicon devices. SiC is by far the most advanced material and, hence, is the subject of attention from power electronics and systems designers. This paper looks at the benefits of using SiC in power electronics applications, reviews the current state of the art, and shows how SiC can be a strong and viable candidate for future power electronics and systems applications.     

Si基氨化ZnO／Ga2O3薄膜制备GaN纳米线

利用射频磁控溅射法在Si(111)衬底上溅射ZnO中间层和Ga2O3薄膜，然后在管式炉中常压下通氨气对ZnO/Ga2O3薄膜进行氨化，高温下ZnO层在氨气气氛中挥发，而Ga2O3薄膜和氨气反应合成出GaN纳米线．X射线衍射测量结果表明利用该方法制备的GaN纳米线具有沿c轴方向择优生长的六角纤锌矿结构．利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶红外透射谱、能量弥散谱及选区电子衍射观测并分析了样品的形貌、成分和晶格结构．研究发现ZnO层的挥发有利于Ga2O3和NH3反应合成GaN纳米线．     

Progress of power field effect transistor based on ultra-wide bandgap Ga2O3 semiconductor material

As a promising ultra-wide bandgap semiconductor, gallium oxide(Ga_2O_3) has attracted increasing attention in recent years. The high theoretical breakdown electrical field(8 MV/cm), ultra-wide bandgap(～ 4.8 eV) and large Baliga's figure of merit(BFOM) of Ga_2O_3 make it a potential candidate material for next generation high-power electronics, including diode and field effect transistor(FET). In this paper, we introduce the basic physical properties of Ga_2O_3 single crystal, and review the recent research process of Ga_2O_3 based field effect transistors. Furthermore, various structures of FETs have been summarized and compared, and the potential of Ga_2O_3 is preliminary revealed. Finally, the prospect of the Ga_2O_3 based FET for power electronics application is analyzed.     

A review of the most recent progresses of state-of-art gallium oxide power devices

Until very recently, gallium oxide(Ga_2O_3) has aroused more and more interests in the area of power electronics due to its ultra-wide bandgap of 4.5–4.8 eV, estimated critical field of 8 MV/cm and decent intrinsic electron mobility limit of250 cm2/(V·s), yielding a high Baliga's figures-of-merit(FOM) of more than 3000, which is several times higher than GaN and SiC.In addition to its excellent material properties, potential low-cost and large size substrate through melt-grown methodology also endows β-Ga_2O_3 more potential for future low-cost power devices. This article focuses on reviewing the most recent advances ofβ-Ga_2O_3 based power devices. It will be starting with a brief introduction to the material properties of β-Ga_2O_3 and then the growth techniques of its native substrate, followed by the thin film epitaxial growth. The performance of state-of-art β-Ga_2O_3 devices, including diodes and FETs are fully discussed and compared. Finally, potential solutions to the challenges of β-Ga_2O_3 are also discussed and explored.     

氮化Si基ZnO/Ga_2O_3制备GaN薄膜

利用射频磁控溅射法在Si衬底上先溅射ZnO缓冲层,接着溅射Ga2O3薄膜,然后ZnO/Ga2O3膜在管式炉中常压下通氨气进行氮化,反应自组生成GaN薄膜。XRD测量结果表明,利用该方法制备的GaN薄膜是沿c轴方向择优生长的六角纤锌矿多晶结构的薄膜,利用SEM观测了其表面形貌,PL测量结果发现了位于351nm处的室温光致发光峰。