【国内新闻】氧化镓外延生长和功率器件论文合集（上）

1、增强型氧化镓场效应晶体管与性能研究进展综述

        电力电子器件作为电力设备和电子系统中实现电能变换和控制电路方面最为重要的电子元器件，被誉为电能转换和传输的核“芯”。近年来第三代半导体氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为电力电子器件发展注入了新动力，其器件性能已超越了传统硅（Si）基器件的理论极限。而新型超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）带隙高达4.9 eV，且具有更为优异的击穿场强和巴利加优值，在电力电子器件方面发展前景广阔。

        目前，虽然Ga₂O₃单极型器件性能已超越了SiC材料极限，但p型Ga₂O₃掺杂等问题制约了器件性能的进一步提升。单极型Ga₂O₃场效应晶体管（FET）器件也因此无法实现增强型（E-mode）的工作模式，成为了Ga₂O₃电力电子器件在实际电路应用中的障碍。因此，如何实现稳定可靠的E-mode Ga₂O₃ FET已经成为Ga₂O₃电力电子器件领域的热点与难点。

        近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台基于前期工作基础，通过对相关文献的调研，对E-mode Ga₂O₃ FET材料外延与器件工艺的研究进展进行了整理和归纳。首先，从金属有机化合物气相沉积（MOCVD）和卤化物气相外延（HVPE）等工艺出发，详细介绍了Ga₂O₃材料外延工艺的关键技术，展示了Ga₂O₃电力电子器件研究的概况。随后，综述了E-mode Ga₂O₃ FET的最新研究进展，包括相关制备工艺的具体细节和器件的阈值电压、导通电阻等关键参数。通过对不同结构的器件性能比较，清晰地展示了设计结构的优势和劣势，厘清设计思路，对E-mode Ga₂O₃ FET的研究与开发具有指导意义。此外，综述对Ga₂O₃ FET的击穿电压、散热性能等其他参数也进行了简单介绍。

        该文章以题为“A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga₂O₃ FETs: growth, devices and properties”发表在Journal of Semiconductors上。中科院苏州纳米所博士生李博同为论文的第一作者，中科院苏州纳米所张宝顺研究员为通讯作者。

图1. （a）氧气退火处理工艺的增强型氧化镓场效应管；（b）p型氧化镍栅极的增强型氧化镓场效应管；（c）多层铁电栅介质的增强型氧化镓场效应管；（d）氮离子注入工艺的垂直凹栅强增型氧化镓场效应晶体管。

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A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga₂O₃ FETs: Growth, devices and properties

doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061801

2、NiO/β-Ga₂O₃异质结在功率器件领域的研究进展

        功率器件常用于开关控制和大功率电路驱动，在多种场合中具有广泛的应用。随着电动汽车、5G网络和物联网（IoT）的快速发展，硅基器件逐渐达到了其物理极限，传统的硅基功率器件已难以满足许多超高功率应用的需求。宽禁带半导体材料氧化镓（β-Ga₂O₃）具有约4.8 eV的禁带宽度、高达8 MV/cm的临界电场、约3000的巴利加优值系数（BFOM）、可用熔融法生长等优秀的性质，是制备下一代功率器件的潜力材料。通过硅或锡掺杂，β-Ga₂O₃可以实现浓度在10¹⁵-10¹⁹ cm^-3范围内可调的N型导电。然而，由于较大的受主杂质激活能和空穴自陷能，实现β-Ga₂O₃的P型导电是非常困难的，这也成了β-Ga₂O₃同质双极型器件发展的主要阻碍。双极型结构通常具有低漏电流、高热稳定性和良好的抗浪涌能力，在功率器件设计中有着广泛应用。为了实现β-Ga₂O₃双极型器件，一个可行的方法是使用P型半导体材料如氧化锡（SnO）、氧化亚铜（Cu₂O）、氧化镍（NiO）等与N型β-Ga₂O₃构建异质结，而NiO以其3.6-4.0 eV的大禁带宽度和可控的P型掺杂，成为其中的主流选择。2020年，Lu等人报道了用溅射法制备的NiO薄膜和β-Ga₂O₃构建的异质结，实现了第一个具有千伏级击穿电压的β-Ga₂O₃双极型器件。随后，许多研究人员在提升NiO/β-Ga₂O₃异质pn结性能等方面取得了显著进展。此外，NiO/β-Ga₂O₃异质结结构也被广泛用于其它器件结构，如结势垒肖特基二极管（JBS）、结场效应晶体管（JFET）和边缘终端（ET）结构等。

        近日，中山大学卢星副教授、王钢教授团队总结了NiO/β-Ga₂O₃异质结在功率器件领域的研究进展，并对其未来的发展做出了展望。综述从NiO/β-Ga₂O₃异质结的构建、表征和器件性能三个方面展开，讨论了溅射法制备的NiO/β-Ga₂O₃异质结的结晶性质、能带结构和载流子运输特性，并介绍了包括NiO/β-Ga₂O₃异质pn结二极管（HJD）、结势垒肖特基二极管、结场效应晶体管和基于NiO/β-Ga₂O₃异质结的边缘终端结构及超结（SJ）结构在内的多种器件结构的最新进展。此外，文中还针对NiO/β-Ga₂O₃异质结实际应用中存在的如材料质量、器件结构优化、界面态和器件可靠性等关键问题进行了总结和展望。

        该综述总结了NiO/β-Ga₂O₃异质结在功率器件领域的发展现状，为之后设计高性能的NiO/β-Ga₂O₃异质结器件提供了参考，对β-Ga₂O₃双极型器件未来的发展起到了积极的作用。

        该文章以题为“Recent advances in NiO/Ga₂O₃ heterojunctions for power electronics”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. NiO/β-Ga₂O₃异质结功率器件发展里程碑。

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Recent advances in NiO/Ga₂O₃ heterojunctions for power electronics

doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061802

3、MOCVD同质外延(100)面β-Ga₂O₃薄膜与Si掺杂研究

        β-Ga₂O₃击穿场强8 MV/cm、Baliga品质因数3444，以及单晶可熔体法生长等优势，使其成为最具发展前景的超宽禁带半导体材料之一。目前β-Ga₂O₃功率电子器件已显示出卓越的器件性能，为进一步挖掘其潜力，实现β-Ga₂O₃薄膜的高质量外延生长与可控掺杂必不可少。β-Ga₂O₃主要具有(100)、(010)、(001)和(−201)四种取向的衬底，同质外延β-Ga₂O₃薄膜仍面临孪晶、堆垛层错等各种挑战。其中，(100)取向的衬底制备相对容易且具备大尺寸优势，但该晶面表面能低，导致薄膜生长时岛状生长模式显著，使得(100)面的外延十分具有挑战性。此外，目前β-Ga₂O₃薄膜的n型掺杂受限，高浓度的掺杂如欧姆接触的实现通常都采用高剂量的Si离子注入，产生较大的损伤。因此，实现高质量(100)面β-Ga₂O₃薄膜的同质外延生长及可控的Si掺杂具有重要意义。

        近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台与上海光机所齐红基团队通过金属有机化学气相沉积（MOCVD），在半绝缘的(100)面 β-Ga₂O₃衬底上实现了高质量的β-Ga₂O₃薄膜外延生长及Si掺杂。通过优化生长条件（如VI/III比值、温度和腔室压力）抑制了β-Ga₂O₃薄膜中的岛状生长模式，并在对薄膜的Si掺外延中，发现Si作为成核点优化生长动力学，可促进薄膜横向合并，改善了薄膜的表面形貌，(100)面β-Ga₂O₃薄膜表面粗糙度为1.3 nm，实现了5.41 × 10¹⁵ cm^-3到1.74 × 10²⁰ cm^-3的有效净掺杂浓度。对于载流子浓度为7.19 × 10¹⁸ cm^-3的样品，激活效率约61.5%，室温迁移率约为51 cm²/(V·s)。此外，对于Si掺杂浓度为1.64 × 10²⁰cm^-3的外延薄膜，表现出良好的欧姆接触特性，具有3.73 Ω·mm的接触电阻，方块电阻为1084 Ω/□，比接触电阻率低至1.29 × 10^-4 Ω·cm²，与Si注入样品的电学特性相当，表明在β-Ga₂O₃薄膜的MOCVD生长中实现了可控有效的n型掺杂，为降低β-Ga₂O₃器件欧姆接触电阻、提高器件性能提供了可行方案。

        该文章以题为“Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga₂O₃ films via MOCVD”发表在Journal of Semiconductors上。中科院苏州纳米所博士生唐文博为论文的第一作者，中科院苏州纳米所张宝顺研究员、中科院上海光机所齐红基研究员为通讯作者。

图1. 不同SiH₄流量下生长的(100) β-Ga₂O₃薄膜的原子力显微镜测试形貌图，样品编号和对应流量分别为(a) B2, 0.5 sccm；(b) B3, 1.2 sccm ；(c) B4, 3 sccm ；(d) B5, 6 sccm；(e) B6, 10 sccm；(f) B7, 20 sccm。

图2.  基于TLM的β-Ga₂O₃薄膜的IV特性。(a) 线性坐标；(b) 半对数坐标；(c) 总电阻与金属接触点间距的关系。

文章信息：

Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga₂O₃ films via MOCVD

doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062801

4、不同晶面取向的α-Ga₂O₃薄膜的外延生长及电学特性研究

        氧化镓（Ga₂O₃）作为新兴的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、强抗辐射能力强等优越性能，与Si、SiC、GaN等半导体材料相比，更适合用于制备电力电子器件，如肖特基势垒二极管（SBD）、异质结二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等，在先进信息技术和新能源领域具有广泛的应用前景。Ga₂O₃可形成五种晶体结构，包括热稳态晶相（β-Ga₂O₃）和介稳态晶相（α-, ε-, γ- Ga₂O₃等）。与热稳态的单斜晶相β-Ga₂O₃相比，刚玉结构的介稳态晶相α-Ga₂O₃具有更大的禁带宽度和更高的击穿场强，因此更适合于电力电子器件的制备。

        然而，衬底晶面取向对α-Ga₂O₃薄膜的结晶质量和电学性能有较大的影响，进而影响α-Ga₂O₃基电子器件的性能。一方面，α-Ga₂O₃电学性质的各向异性可能与导带的各向异性有关；另一方面，不同晶面下的缺陷形成难易度对电学性能也起着十分重要的影响。因此，非常有必要研究蓝宝石衬底晶面取向对α-Ga₂O₃薄膜的异质外延和电学性能的影响。

        近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队的科研人员采用PLD技术系统地研究了a面、m面和r面蓝宝石衬底上α-Ga₂O₃薄膜的外延关系和电学性能的差异。实验结果显示，外延生长的α-Ga₂O₃薄膜分别与同为刚玉结构的蓝宝石衬底具有一致的面外及面内生长取向。在相同的工艺条件下，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜比a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜具有更好的导电性能。有意思的是，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的氧空位浓度也显著高于在a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的氧空位浓度。由此推测，在不同晶面取向蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的导电行为可能与氧空位的浓度有关，而形成能可能强烈依赖于晶格取向，从而导致掺杂原子的激活能和载流子输运行为的显著差异。但各向异性和结晶度对电学性能影响的机理还有待进一步的研究。

        该研究为生长可调控电学性能的α-Ga₂O₃薄膜时的衬底选择提供了新思路，也为探索不同晶面α-Ga₂O₃薄膜电学性能差异的机理提供了基础，有助于发展氧化镓半导体器件。

        该文章以题为“Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga₂O₃ films on differently oriented sapphire substrates”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. α-Ga₂O₃在 (a) a面；(b) m面；(c) r面蓝宝石衬底上的PLD外延生长关系示意图。

图2. 分别在 (a) a面；(b) m面；(c) r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜O 1s峰的XPS谱。

表1. 在a面、m面以及r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的膜厚（d）、电导率（σ）、迁移率（μ）和载流子浓度（n）。

文章信息：

Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga₂O₃ films on differently oriented sapphire substrates

 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062802