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。

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。

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.

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。

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.

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.

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。

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2.0×1018cm-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8 V时,漏源饱和电流密度达到42 m A/mm,器件的峰值跨导约为3.8 m S/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。

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。

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8×10^3%,探测率D^*达到了2.03×10^14 Jones,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。

β-Ga2O3单晶制备工艺的研究进展

β型氧化镓(β-Ga2O3)具有宽禁带、高击穿强度和低制造成本等优点,是制备第三代半导体的优质备选材料。制备β-Ga2O3材料的方法有直拉法、导模法、浮区法、布里奇曼法等。由于该材料在高温下易挥发,易产生较多杂质气体、晶体形状难以控制、单晶中产生较多缺陷等问题。对目前β-Ga2O3制备方法进行综述,对多种制备方法的工艺、原理以及相关应用进行介绍,并对这些方法及工艺的特点进行对比,分析产品低质量的主要原因并提出解决建议,为未来优化β-Ga2O3材料制备工艺的研究提供参考。

新一代功率半导体β-Ga2O3器件进展与展望

Ga2O3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-Ga2O3的基本性质,包括β-Ga2O3的晶体结构和电学性质,简述了基于β-Ga2O3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-Ga2O3SBD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-Ga2O3功率器件存在的问题。分析表明,β-Ga2O3用于高功率和高压电子器件具有巨大潜力。

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。

β-Ga2O3欧姆接触的研究进展

近年来,随着氧化镓(Ga2O3)晶体生长技术取得突破性进展,氧化镓材料及器件的研究与应用成为国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。综述了β-Ga2O3衬底的一些优点以及面临的挑战,重点介绍了如何实现良好的欧姆接触。围绕采用低功函数金属、表面预处理、衬底掺杂和引入中间层的方法,阐述了目前国际上金属/β-Ga2O3欧姆接触的最新研究进展。总结了不同实验条件下可以获得的比接触电阻,目前可以获得的最低比接触电阻是4.6×10^-6Ω·cm^2。最后,预测未来金属/β-Ga2O3欧姆接触的主要研究方向是提高欧姆接触的热稳定性。

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。