【会员新闻】深圳平湖实验室研究团队对超宽禁带半导体技术研究进展及技术规划

        近日，深圳平湖实验室的张道华老师与万主任的团队共同整理了一篇关于氧化镓 P 型导电研究进展的文章，并被人工晶体学报收录在《氧化镓材料与器件》专刊，预计在明年正式上线。

        论文对于 Ga₂O₃ 的材料和器件研究及其在功率半导体方面的应用，近期已有相关综述进行了总结，以下是综述文章的内容摘要。

        β 相氧化镓 (β-Ga₂O₃) 具有超宽半导体带隙、高击穿电场和容易制备等优势，是功率器件的理想半导体材料。但由于 β-Ga₂O₃ 价带顶能级位置低、能带色散关系平坦，其 p 型掺杂目前仍具有挑战性，限制了 p-n 结及双极性晶体管的开发。利用尺寸效应、缺陷调控、非平衡动力学及固溶提升价带顶能级等方案是目前实现 β-Ga₂O₃ p 型掺杂的主要策略。对于 β-Ga₂O₃ p-n 同质结和异质结，提高晶体质量减少界面缺陷态是优化器件性能的关键问题。本文针对 β-Ga₂O₃ 的 p 型导电问题，系统阐述了 β-Ga₂O₃ 电子结构，实验表征及理论计算掺杂能级方法，p 型掺杂困难原因，以及改进 p 型掺杂的突破性研究进展。最后简单介绍了 β-Ga₂O₃ p-n 同质结和异质结器件的相关工作。利用复合缺陷调控、非平衡动力学、固溶等方案及不同方案的协同实现体相 β-Ga₂O₃ 的 p 型掺杂仍需要深入探索，p-n 同质及异质结的器件性能需要进一步优化。 

图 1 不同半导体材料的击穿电压和比导通电阻及以 Ga₂O₃ 为主题的近十年文章发表数量。(a)Si, Ga₂O₃, GaN, SiC, AlN, BN及 Diamond 的击穿电压和比导通电阻关系图[4]；(b)以 Ga₂O₃ 为主题近十年文章发表数量，源数据来源于 Web of Science (截止至 2024 年 11 月 6 日) 

图 2 β-Ga₂O₃ 的晶胞结构及电子结构。(a) 1×2×2 β-Ga₂O₃ 超胞结构，右侧对应局部放大图[29]；(b)β-Ga₂O₃ 的能带结构图；(c)β-Ga₂O₃ 的元素投影态密度图；(d)和(e)对应 β-Ga₂O₃ 中 Ga 和 O 元素的轨道投影态密度图 

张道华院士：超宽禁带半导体氧化镓和氮化铝特性研究

        以氧化镓、氮化铝在内的超宽禁带半导体具有禁带宽度大，击穿电场和功率密度高，抗辐射能力强等特点，在高温、高压和高辐射等极端环境下的应用方面具有显著优势。目前超宽带隙半导体的挑战主要集中在材料性能的提升，掺杂和缺陷的调控以及成本的降低。

张道华

深圳平湖实验室第四代半导体首席科学家、

新加坡工程院院士

        近期，第十届国际第三代半导体论坛&第二十一届中国国际半导体照明论坛（IFWS&SSLCHINA2024）在苏州召开。期间，“超宽禁带半导体技术 I”分会上，深圳平湖实验室第四代半导体首席科学家、新加坡工程院院士张道华做了“超宽禁带半导体氧化镓和氮化铝特性研究”的主题报告，讨论超宽带隙半导体的研究状况和主要问题，分享了实验室团队近来在氧化镓和氮化铝的理论研究和材料表征等方面所做的工作。同时介绍了深圳平湖实验室在宽带隙隙和超宽带隙半导体研究方面的布局和规划，基础和配套设施，以便于同仁合作，共同推动宽带隙半导体科学和技术的发展。

        报告分享了氧化镓和氮化铝研究进展。涉及氧化镓能带结构调控，包括 β 相氧化镓晶体结构、不同金属在固溶体中的站位、不同金属固溶体的能带结构、不同金属固溶体种空穴平均有效质量、铑固溶体中晶向分布等研究进展，以及氮化铝/富鋁镓氮光致发光测量，包括光学表征系统、氮化铝外延光致发光和少子寿命、富铝镓氮光致发光等研究进展。

        报告显示，氧化镓面临着价带平坦，空穴质量大，空穴迁移率低，氧化镓p-型掺杂难，β-Ga₂O₃ 的热导率低等挑战。49 种金属多数替换六配位 Ga-I 位原子更稳定。多数固溶构型有效质量减小，其中 β-(Rh_0.25Ga_0.75)₂O₃ 的数值为 β-Ga₂O₃ 的 52.3%。β-(Rh_xGa_1-x)₂O₃ 价带顶能级显著上升，上升的幅度位于 1.35~2.95 eV 范围内。氮化铝面临着 AlN 掺杂较难控制，Si 掺杂形成 DX 中心，激活能增加至 200 meV；高掺 Si 出现补偿膝效应，形成 VAl + nSiAl，导致电子浓度随着 Si 掺杂增加反而降低；AlN 材料中拟合 Mg 激活能为 630 meV；欧姆接触电阻大，加之 AlN 亲合能低，导致比接触电阻率高等挑战。