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。

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。

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。

Ga2O3薄膜材料氧敏性能的研究

实验以三氯化镓为原料,柠檬酸为络合剂,通过NH3·H2O调节pH值,得到透明稳定的前躯体溶胶,红外光谱分析表明上述溶胶在向凝胶转变过程中,发生镓与柠檬酸的络合,并在干燥过程中依靠氢键形成大分子聚合物.采用提拉涂覆溶胶-凝胶法在多晶氧化铝基片表面形成凝胶膜后,经800℃下热处理,凝胶膜转化为单斜相β-氧化镓陶瓷薄膜.重复镀膜和热处理及超声清洗过程8个～10个周期,最后在800℃下烧结,保温1h,得到粒径为50nm～100nm左右的多孔纳米薄膜.采用自制系统检测β-Ga2O3薄膜的氧敏性能,结果表明:Fe掺杂的氧化镓薄膜材料,在400℃～800℃范围内,在理论空燃比附近,电阻突变幅度大于2个数量级,具有较高的灵敏度.

高电流密度Ga2O3 MOSFET器件的研制

研制了一款具有高漏源饱和电流密度的Ga2O3MOSFET器件。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在Fe掺杂半绝缘（010） Ga2O3同质衬底上外延得到n型β-Ga2O3薄膜材料,n型Ga2O3沟道层Si掺杂浓度为2. 0×10^（18）cm^（-3）,n型沟道厚度为80 nm。采用Si离子注入工艺,器件欧姆特性得到大幅改善,欧姆接触电阻降至1. 0Ω·mm。采用原子层沉积（ALD）厚度为25 nm的Hf O2作为器件的栅下绝缘介质层。测试结果表明,在栅偏压为0 V时,器件的开态导通电阻仅为65Ω·mm,漏源饱和电流密度达到173 m A/mm,器件的三端关态击穿电压达到120 V。

Ga2O3／HZSM-5催化剂上丙烷脱氢反应

以直接水热合成和低硅沸石高温水蒸气脱铝两种方法制备了不同Si/Al摩尔比的HZSM-5载体,考察了Ga2O3/HZSM-5催化剂上丙烷脱氢制丙烯的反应性能.结合XRD,N2气吸附,27Al MAS NMR和NH3-TPD等表征方法,讨论了催化剂酸性质和孔性质与性能的关系.实验结果表明,减少催化剂表面的中强酸量可以显著提高反应的稳定性和丙烯的选择性;水蒸气脱铝所增加的介孔有同样的效果,这可能是由于介孔的存在有利于丙烯的脱附和扩散而抑制了寡聚、环化等副反应的发生,减少了表面积炭的可能性.

Ga2O3对Ag30CuZnSn药芯银钎料钎缝组织及钎焊接头性能的影响

向Ag30CuZnSn药芯银钎料药粉中添加Ga2O3,研究了Ga2O3对Ag30CuZnSn药芯银钎料钎缝组织的影响及钎焊接头性能的影响.结果表明,微量Ga2O3可以显著提高Ag30CuZnSn药芯银钎料的润湿铺展性能且可以减少药芯中钎剂的添加量.Ga2O3添加量为0.4%(质量分数)时,钎料润湿铺展性能和钎焊接头抗剪切强度达到最佳值.这是因为Ga2O3属于表面活性物质,可以显著降低熔融钎料和母材之间的界面张力,从而提高了钎剂粉末的去膜效果,进而提高银钎料的润湿铺展性能.药芯银钎料基体及钎缝组织主要由以CuZn相为主的固溶体、银基固溶体和铜基固溶体构成.火焰钎焊时,添加0.4%Ga2O3(质量分数)时作用效果最佳,钎缝组织的细化与钎着率的提高(钎着率提高至95%以上)使得钎焊接头抗剪强度提高了11%以上,钎焊接头断口组织的形貌证明了上述结果.

后退火对射频磁控溅射法制备Mg掺杂Ga2O3薄膜性质的影响

本文采用双靶材交替溅射的射频磁控溅射法生长了高质量的Mg掺杂氧化镓薄膜,并将制备的样品在1000℃条件下进行后退火处理,以研究退火前后Mg掺杂Ga2O3薄膜的性质变化。XRD结果表明,退火后的(004)、(202)和(120)峰从无到有,(401)、(601)和(122)峰由强变弱,表明退火改变了Mg掺杂Ga2O3薄膜的结构。AFM结果表明,退火后的薄膜表面均方根粗糙度由1.3637nm增大到17.1133nm。EDS结果表明,退火处理后的Mg元素重量百分比有所提高。紫外可见透射光谱研究表明,退火前薄膜在200-1500nm波长范围内的平均光透过率较低,大约为80%,退火后平均光透过率明显提高到90%以上,此外薄膜光学吸收边蓝移,带隙宽度变大,表明退火有助于改善薄膜结构,增强光透性。光致发光谱实验结果表明,相比较退火处理后的薄膜,退火前的光致发光峰几乎可以忽略不计,这说明退火可显著改变Mg掺杂Ga2O3薄膜的光致发光特性。

Ga2O3薄膜的常温磁控溅射制备对其结构及光学特性的影响

本文通过常温射频磁控溅射在单抛硅片和石英玻璃基底上溅射制备Ga2O3薄膜。采用分光光度计和椭偏仪测试薄膜的紫外光波段的透过率、折射率和光学吸收,利用X射线光电子能谱(XPS)测试了不同氧气氛下Ga2O3薄膜中氧元素的化学价态及其含量,X射线衍射(XRD)测试和拉曼散射光谱测试研究退火对薄膜生长及晶相结构的影响,采用微控四探针测试仪测试了薄膜的电阻率。研究了溅射功率、氩氧比、退火等工艺参数对薄膜结构及光电性能的影响。研究发现经过常温溅射后,再经过后退火处理的薄膜,无论在结构还是光学性能都优于之前传统制备工艺。结果显示:在氩氧比为80∶20、溅射功率为175 W、压强1.5 Pa条件下溅射2 h,沉积的薄膜厚度为197.6 nm,在紫外光波段吸收峰在284 nm,峰值透过率达到92.82%。在900℃退火下,薄膜的导电性能最好,电阻率达到137.21 m·cm。XRD测试和拉曼散射光谱结果表明,随着退火温度的升高,薄膜表现出择优生长趋势,发现β-Ga2O3的(201)、(401)和(403)的衍射峰随着退火温度的增加进一步增强。利用Tauc公式由透过率数据计算光学带隙结果表明,随着退火温度升高薄膜光学带隙由在4.93~5.28 eV范围内变化。

一维Ga2O3/SnO2纳米纤维的制备及其气敏性能

通过静电纺丝法制备了一维Ga2O3/SnO2纳米纤维,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)等方法对材料进行了表征,测试了不同Ga2O3质量分数(0、40%、50%、60%、70%、100%)的Ga2O3/SnO2纳米纤维(650℃,5 h)对应元件对三甲胺、丙酮、乙醛、乙酸、氨气、乙醇、甲醛7种气体的气敏性能。结果表明:在室温(25℃)时,60%(w/w)Ga2O3-40%(w/w)SnO2纳米纤维对三甲胺气体具有较高的灵敏度和较短的响应/恢复时间。对1000μL·L^-1三甲胺的灵敏度达到51;检出限达到0.8μL·L^-1,其灵敏度为1.3。

Cr3+在不同基质Y3Ga5O12或Ga2O3中的荧光特性

以Ga2O3、Y2O3、Cr(NO3)3·9H2O为原料,柠檬酸为配位剂,通过溶胶-凝胶高温固相合成法制备出Ga2-2xO3∶2xCr^3+(Ga2O3∶xCr)与Y3Ga5-5xO12∶5xCr^3+(YGG∶xCr)2种多晶粉体(x=0.01,0.03,0.05,0.07)。并采用X射线衍射(XRD)、红外光谱(IR)、扫描电镜(SEM)、荧光光谱(PL)对样品的结构、组成、形貌和荧光性能进行测试分析。XRD和IR分析结果显示在900℃煅烧后Ga2O3∶xCr和YGG∶xCr两种样品均成相。SEM照片显示Ga2O3∶xCr样品形貌为柱形多面体,YGG∶xCr为短棒状。PL结果显示Cr^3+在Ga2O3和YGG两种基质中的最强荧光发射峰分别位于742和740nm,均属于Cr^3+的2E-4A2跃迁,对比发现Cr^3+在YGG基质中的荧光发射强度更强,在远红光区的荧光性能更好,能满足温室照明中植物光合作用的需求。

Zn0.97Ga2O3.97:Cr^3+,Bi^3+荧光粉的制备及发光性能

以Cr3+和Bi3+为掺杂剂,按照镓酸锌Zn0.97Ga2O3.97(ZGO)化学计量比,采用双相水热法制备了ZGO:Cr^3+,Bi^3+红色无机荧光粉,并通过透射电子显微镜、分光光度法和荧光光谱法分析了荧光粉样品的微观形态、晶体结构和发光性能。实验结果表明:Cr^3+和Bi^3+的最佳摩尔掺杂率分别是1%和2%,荧光粉最佳掺杂浓度化学式为ZGO:0.01Cr^3+,0.02Bi^3+,所得荧光粉颗粒为组分均匀的类球形颗粒,平均粒径为8 nm。在近紫外光的激发下,相对于单掺杂荧光粉ZGO:0.01Cr^3+,双掺杂荧光粉ZGO:0.01Cr^3+,0.02Bi^3+在漫反射光谱中<350、350~470和470~650 nm的吸收带强度明显增强。此外,在激发和发射光谱中,ZGO:0.01Cr^3+,0.02Bi^3+的发射强度为ZGO:0.01Cr^3+的2.5倍,表明该荧光粉的发光性能得到显著提升。

采用T型栅结构的高性能Ga2O3 MOSFET

基于n型β-Ga2O3制备了具有T型栅结构的高性能Ga2O3金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在Fe掺杂的半绝缘β-Ga2O3衬底上同质外延生长200 nm厚的Si掺杂n型β-Ga2O3沟道层,掺杂浓度为5×10^17 cm^-3。器件采用栅长为1μm的T型栅结构,栅源间距为2μm,栅漏间距为18μm;采用原子层沉积(ALD)法生长的高介电常数氧化铪(HfO2)作为栅介质。研制的器件漏源饱和电流密度达到115.8 mA/mm,比导通电阻为52.82 mΩ·cm^2。T型栅结构有效抑制了Ga2O3沟道中的峰值电场强度,提升了器件的耐压特性;而高介电常数的HfO2介质有效降低了器件的漏电流,器件的击穿电压达到1953 V,开关比高达109,器件功率品质因子为77.2 MV/cm^2。

Rectifying characteristics and solar-blind photoresponse in β-Ga2O3/ZnO heterojunctions

Heterojunctions composed ofβ-Ga2 O3 and ZnO films are fabricated on sapphire substrates by using the laser molecular beam epitaxy method.The heterojunction possesses excellent rectifying characteristics with an asymmetry ratio over 105.Prominent solar-blind photoresponse effect is also observed in the formed heterojunction.The photodetector exhibits a self-powered behavior with a fast response speed(rise time and decay time are 0.035 s and 0.032 s respectively)at zero bias.The obtained high performance can be related to the built-in field driven photogenerated electron-hole separation.

Tm3+/Ho3+/Yb3+掺杂Ga2O3-GeO2-Li2O玻璃的上转换发光性能研究

采用熔融淬冷法制备了Tm^3＋/Ho^3＋/Yb^3＋掺杂的Ga2O3-GeO2-Li2O玻璃。测试了样品的拉曼光谱、吸收光谱、980 nm和808 nm泵浦下的上转换发射光谱。详细调查了在980 nm和808 nm激发下不同的Yb2O3掺杂含量对Tm^3＋/Ho^3＋掺杂的镓锗锂玻璃的上转换发射光谱的影响,分析了稀土离子间的能量传递。研究发现：980 nm泵浦下样品观察到明显的545 nm和657 nm发射和微弱的476 nm发射峰。随着Yb^3＋浓度的增大,由于Yb^3＋对Tm^3＋和Ho^3＋的有效的能量传递增强了红光和绿光发射强度,红光的增长率是快于绿光的,Yb2O3的掺杂量为0.7 mol%时I657/I545强度比率达到最高。808 nm激发下可以观察到弱的476 nm的蓝光和545 nm的绿光及强烈693 nm发射。

基于Ga2O3的场效应器件研究进展

氧化镓(Ga2O3)作为第三代宽禁带半导体材料,由于其超宽带隙、高击穿场强以及高巴利加优值等优点,广泛应用于大功率器件等领域,已成为近几年来国内外科研人员研究的热点。主要介绍了Ga2O3材料的特性,总结了基于Ga2O3的场效应晶体管(FET)的研究进展,对Ga2O3功率器件的发展进行了思考归纳。

一步法制备局质量酌-Ga2O3纳米晶

制备出高质量纳米晶是金属氧化物纳米晶的基础研究和技术运用的首要问题.在有机溶剂中,利用一步法能够合成出较高结晶度的立方相Ga2O3纳米晶,对该样品的微观形貌和光学性能进行了表征.研究表明,利用一步法获得的纳米晶具有单分散性,晶格条纹明显,平均直径为6n m .在光学性能方面,立方相G a 2O 3纳米晶在紫外区域有较宽的吸收.此外,通过提高合成温度能够从紫外到蓝光范围内调节荧光光谱.

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第11期专栏征稿主题:宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成

近年来,以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值,并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期,解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈,具有极为重要的科学意义与实际价值。

《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第11期专栏征稿 主题:宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成

近年来,以SiC、GaN、金刚石、Ga2O3为代表的宽禁带半导体在功率、射频器件方面展示出重要的研究价值,并在5G通信、汽车电子、快速充电等方面展现出了广阔的应用前景。抓住研发宽禁带功率半导体的战略机遇期,解决宽禁带半导体材料、器件、电路与系统集成中的关键技术瓶颈,具有极为重要的科学意义与实际价值。

Ga2O3/HZSM-5催化剂在乙烷脱氢反应中的积碳行为和MgO的修饰作用

研究了Ga2O3/HZSM-5催化剂在乙烷脱氢反应中的积碳、再生以及MgO的修饰作用.通过激光拉曼、TG-MS和NH3-TPD等表征手段对反应过程的积碳种类和速率进行研究.实验结果表明,催化剂强酸中心上容易发生乙烷裂解生成甲烷的副反应并产生积碳,其中石墨型积碳在反应过程中难以消除,是导致催化剂失活的主要原因.MgO修饰可以减少催化剂强酸中心的量,对乙烷裂解生成甲烷的副反应活性起到显著抑制作用,并使积碳速率得到有效控制,从而提高了催化剂的稳定性和乙烯的选择性.催化剂再生时,在空气气氛中加入水蒸气能够提高脱除石墨化碳的效率,经420℃再生后催化剂的活性得到明显恢复.