β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用现状

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。

AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结电子输运机制

β-Ga_(2)O_(3)具有禁带宽度大、击穿电场强的优点,在射频及功率器件领域具有广阔的应用前景.β-Ga_(2)O_(3)(2¯01)晶面和AlN(0002)晶面较小的晶格失配和较大的导带阶表明二者具有结合为异质结并形成二维电子气(two-dimensional electron gas,2DEG)的理论基础,引起了众多研究者关注.本文利用AlN的表面态假设,通过求解薛定谔-泊松方程组计算了AlN/β-Ga_(2)O_(3)异质结导带形状和2DEG面密度,并将结果应用于玻尔兹曼输运理论,计算了离化杂质散射、界面粗糙散射、声学形变势散射、极性光学声子散射等主要散射机制限制的迁移率,评估了不同散射机制的相对重要性.结果表明,2DEG面密度随AlN厚度的增加而增加,当AlN厚度为6 nm,2DEG面密度可达1.0×10^(13)cm^(-2),室温迁移率为368.6 cm^(2)/(V·s).在T<184 K的中低温区域,界面粗糙散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制,T>184 K的温度区间,极性光学声子散射是限制2DEG迁移率的主导散射机制.

β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对新型环保绝缘气体CF_(3)SO_(2)F的气敏响应特性

CF_(3)SO_(2)F作为一种新型的环保绝缘气体,有望取代绝缘气体SF_(6)。考虑到CF_(3)SO_(2)F的生物毒性,开发用于泄漏检测的高灵敏度传感器具有重要的工程意义。为此,基于第一性原理,计算分析了本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对CF_(3)SO_(2)F的气敏响应特性以及氧空位缺陷对CF_(3)SO_(2)F在β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附性质的影响。CF_(3)SO_(2)F吸附前后,本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附体系的功函数发生了显著变化,且室温下的恢复时间短。此外,环境分子O_(2)和CO_(2)的存在并不影响本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面对CF_(3)SO_(2)F的选择性检测。因此,本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面可作为CF_(3)SO_(2)F潜在的场效应晶体管型气敏器件材料,且该器件具有较高的稳定性,良好的选择性,较高的灵敏度和可重复利用性。氧空位缺陷的引入使β-Ga_(2)O_(3)(010)表面吸附体系在环境分子O_(2)和CO_(2)存在的情况下无法对CF_(3)SO_(2)F气体进行选择性检测。因此,在β-Ga_(2)O_(3)(010)表面材料的合成过程中应尽可能避免氧空位缺陷的存在。论文从理论上证明了本征β-Ga_(2)O_(3)(010)表面可作为一种潜在的CF_(3)SO_(2)F场效应晶体管型气敏材料,对后续的实验制备气敏传感器具有指导作用。

外电场辅助化学气相沉积方法制备网格状β-Ga_2O_3纳米线及其特性研究

利用外电场辅助化学气相沉积(CVD)方法,在蓝宝石衬底上制备出了由三组生长方向构成的网格状β-Ga_2O_3纳米线.研究了不同外加电压大小对β-Ga_2O_3纳米线表面形貌、晶体结构以及光学特性的影响.结果表明:外加电压的大小对样品的表面形貌有着非常大的影响,有外加电场作用时生长的β-Ga_2O_3纳米线取向性开始变好,只出现了由三组不同生长方向构成的网格状β-Ga_2O_3纳米线;并且随着外加电压的增加,纳米线分布变得更加密集、长度明显增长.此外,采用这种外电场辅助的CVD方法可以明显改善样品的结晶和光学质量.

β-Ga_2O_3单晶浮区法生长及其光学性质

用浮区法生长得到了宽禁带半导体材料β-Ga2O3单晶,对其吸收光谱、荧光光谱进行了分析。解释了禁带部分展宽的原因。并研究了Sn4+和Ti4+的掺杂对其紫外吸收边影响。-βGa2O3单晶的荧光谱不仅观察到了3个特征峰:紫外光(395nm)、蓝光(471nm)、绿光(559nm),还观察到了在277和297nm的紫外光和692nm的红光荧光发射。

Ti掺杂β-Ga_2O_3电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了Ti掺杂β-Ga2O3系统的电子结构和光学性质。计算结果表明,Ti替代八面体的Ga(2)时系统形成能最低,容易在实验上合成;Ti掺杂在导带底附近引入了浅施主能级,极大地提高了β-Ga2O3系统的导电性。Ti掺杂时稳定体系倾向于自旋极化态,且费米面处自旋极化率接近100%。光学性质的计算结果显示,Ti掺杂β-Ga2O3是极具潜力的n型紫外透明的半导体。

超宽禁带半导体β-Ga2O3单晶生长突破2英寸

氧化镓（β—Ga2O3）单品是一种第四代超宽禁带氧化物半导体，其禁带宽度为4．8～4．9eV，具有独特的紫外透过特性（吸收截止边～260nm）；击穿电场强度高达8MV／cm，是si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上，巴利加优值分别是SiC、GaN的10倍、4倍以上.

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。

β-Ga_2O_3及Cr掺杂β-Ga_2O_3电子结构的第一性原理计算

运用第一性原理密度泛函理论(DFT)计算了不同交换关联势下单斜晶系β-Ga2O3的总能量、晶格常数、总态密度、分波态密度及能带结构。理论计算结果表明:单斜晶系β-Ga2O3在局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)下的晶格常数和带隙与实验值基本相符,其中LDA近似得到的晶格常数与实验值更接近;β-Ga2O3比六方晶系结构的α-Ga2O3更加稳定,但带隙比α-Ga2O3略小;Cr掺杂导致β-Ga2O3禁带宽度变小,费米能级处的态密度不为零,即变为半金属。

β-Ga_2O_3掺Al的电子结构与能带特性研究

采用第一性原理的平面波超软赝势方法,对β-Ga2O3掺Al的AlxGa2-xO3(x=0,0.5,1,1.5,2)合金进行结构优化、电子态密度和能带特性的研究。结果显示,AlxGa2-xO3为间接宽能隙材料,能隙是由导带底Ga 4s态和价带顶O 2p态共同决定,其弯曲系数分别为0.452eV(直接)和0.373eV(间接)。当增大Al的掺杂量,AlxGa2-xO3的体积变小,总能量升高,能隙逐渐增大,这与实验结果相一致。

Cu掺杂β-Ga_2O_3电子结构和磁学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,结合广义梯度近似研究了Cu掺杂β-Ga2O3系统的磁学特性。计算结果表明,单Cu的掺杂,稳定体系倾向于自旋极化态,且Cu替代八面体的Ga(B)时系统更稳定,容易在实验上形成;Cu掺杂β-Ga2O3呈现出半金属特性,Cu的掺杂引入了2.0μB磁矩,其中局域在Cu原子上的磁矩为0.45μB,其余主要来自于Cu杂质周围的氧原子。由于电荷补偿效应,在Cu掺杂β-Ga2O3系统中引入氧空位时,体系磁矩减小到零。在2个Cu取代Ga的10种构型中,A1-B3构型的能量最低,且显示出铁磁性,磁矩为3.8μB。考虑氧空位后,A1-B3构型的反铁磁性和铁磁性能量差增大,磁矩减小到1.0μB。

Mg单原子替位掺杂β-Ga_2O_3的电子结构和光学性质计算研究

宽禁带半导体β-Ga2O3因其出色的物理化学性能而备受关注,通过掺杂改善β-Ga2O3性能一直是研究的热点。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,利用广义梯度近似加U对Mg单原子掺杂β-Ga2O3体系的晶体结构、电子结构和光学性质等进行了研究和分析。总能量和结合能的对比显示:单原子替位掺杂β-Ga2O3时,Mg优先替代八面体位的Ga原子形成Mg-GaO体系。电子结构显示,Mg-GaO体系变为间接半导体,带隙变窄为4.672eV;其自旋极化率为100%,呈现半金属特性。作为光学材料,Mg-GaO体系可在紫外、深紫外区域工作,并且折射率、反射率和吸收率有所降低,透射率明显提高。

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1.5×105Pa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4.9×10^4cm^-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-Ga_2O_3∶Dy^(3+)荧光粉的快速制备及光学性能研究

本文用快速微波水热加煅烧的工艺制备了不同Dy3+掺杂浓度的棒状β-Ga2O3∶Dy3+蓝/黄荧光粉。XRD和SEM分析表明Dy3+的掺入使样品的结晶度降低但未对其形貌产生影响。光致发光测试结果表明,β-Ga2O3∶Dy3+的发射峰位于492 nm和580 nm;并且随着Dy3+掺杂量的变化,样品的发射峰强度和蓝光/黄光发射强度比例发生了变化;在Dy3+掺杂量为3mol%时,样品的发射强度达到最大值,蓝光/黄光发射强度比例为59.29%/40.71%。另外,简要分析了GaOOH的生长机理和Dy3+在GaOOH∶Dy3+及β-Ga2O3∶Dy3+中的掺杂机理。

水热法制备Eu^(3+)掺杂β-Ga_2O_3粉体的结构及性能

采用水热法制备了Eu3+掺杂的β-Ga2O3粉体,利用X射线粉末衍射、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱和发光光谱等测试手段对其物相、形貌和发光性能等进行了研究。结果表明:所得样品为单斜晶系的β-Ga2O3;在波长为325 nm的He-Cd激光器激发下,发射光谱的最强峰位于612 nm,属于Eu3+的5D0→7F2电偶极跃迁;在模拟太阳光照射下,样品对甲基橙具有较高的光催化降解率,经过2 h后,甲基橙的降解率可达到75%。

肖特基型β-Ga2O3日盲紫外光电探测器

本文制备并研究了肖特基型β-Ga2O3日盲紫外光电探测器.结果表明:通过脉冲激光沉积外延生长的β-Ga2O3的(-201)晶面X射线衍射峰半高宽仅为36 arcsec,表现出了高的晶体质量;光暗条件下的I-V曲线显示所制备的器件具有明显的肖特基整流特性,在-5V偏压下暗电流保持在0.1nA量级,正向导通电压为1.5V;光电流谱显示器件在240nm处存在显著的峰值响应,并在260nm左右呈现陡峭的截止边,日盲紫外的带内带外抑制比达到1000.同时,也研究了不同掺杂对Ga2O3晶体质量的影响.

掺杂稀土Tb的β-Ga_2O_3纳米纤维的结构及其光致发光研究

采用电纺丝法制备了铽(Tb)掺杂的氧化镓(Ga2O3)纳米纤维,并用场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和光致发光谱(PL)对其进行了一系列的表征。结果表明,900℃退火的纳米纤维尺寸约为100nm,晶体结构是β相的Ga2O3,Tb离子5D4-7F5跃迁对应的550nm绿光发射最强。在稀土掺杂的纳米纤维的光致发光谱中没有发现β-Ga2O3缺陷能级的发光,用能量传递理论解释了这一现象。

β-Ga_2O_3单晶腐蚀坑形貌研究

详细介绍了(100)、(010)和(■01)三种不同晶面的β-Ga_2O_3单晶腐蚀坑形貌状态及不同形貌的演变过程。所用β-Ga_2O_3单晶样品均为导模法(EFG)制备,且经过研磨、化学机械抛光(CMP),表面质量良好。以质量分数为85%的分析纯H_3PO_4溶液为腐蚀液,腐蚀时间为1.5 h,腐蚀温度为90℃时,(100)、(010)和(■01)晶面腐蚀坑密度分别约为6.9×10^(4 )cm^(-2)、2.3×10^(4 )cm^(-2)和7.7×10^(4 )cm^(-2)。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察,结果表明(100)面腐蚀坑形状为非对称六边形,(010)面腐蚀坑形貌为菱形,(■01)面腐蚀坑形貌为倾斜的五边形,并确定了(100)面、(010)面、(■01)面的最终腐蚀坑状态,腐蚀坑的不同形状可能与不同晶向β-Ga_2O_3表面状态的耐化学腐蚀差异有关。

大尺寸β-Ga2O3晶片的机械剥离及性能

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。

之字形β-Ga_2O_3纳米材料的合成和表征

采用溶剂热的方法,以NaN3和GaCl3做反应物,在二甲苯做溶剂的条件下,成功的合成了之字形β-Ga2O3纳米材料。利用XRD,TEM,SAED,EDS,HRTEM,PL和模型分别对之字形β-Ga2O3纳米材料的形貌和结构进行了分析。结果表明,之字形β-Ga2O3纳米材料是良好的单晶,沿着[10 3]方向子自堆垛生长。另外光致发光光谱也显示之字形β-Ga2O3纳米材料在370 nm处有很强的发射峰,并且发生了几十纳米的蓝移。