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【国内新闻】各大院校在“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”氧化镓报告合集（2）
日期：2023-09-11阅读：250
厦门大学张洪良教授：氧化镓薄膜外延与电子结构研究
氧化镓（Ga2O3）半导体具有4.85 eV的超宽带隙、高的击穿场强、可低成本制作大尺寸衬底等突出优点。有望实现更高耐压、更低损耗、更高效率。可以通过熔融法制备低成本、大尺寸单晶衬底。氧化镓半导体在大功率器件、日盲紫外光电探测应用方面受到极大关注。
近期，在西安召开的“2023功率与光电半导体器件设计及集成应用论坛”上，厦门大学教授张洪良带来了”宽禁带氧化镓薄膜外延及电子结构研究”的主题报告，报告介绍了氧化镓材料发展现状，并重点介绍了其课题组在氧化镓薄膜外延、掺杂与缺陷机制以及表界面电子结构等方面的研究进展。
当前，鉴于广阔的发展前景，氧化镓材料和器件已成为世界科技前沿和国家战略竞争要地。比如日本经济产业省(METI) 近五年投资超过1亿美元，支持氧化镓半导体材料开发。美国国防部/空军实验室联合Cornell/UCSB和企业在2012年建立了氧化镓材料与器件研究部门。德国莱布尼茨晶体生长研究所（IKZ）2009年开始研发Ga2O3 晶体，实现4英寸的晶体，为美国空军实验室供应外延基片。
从氧化镓半导体产业链来看，单晶衬底和外延薄膜是功率和光电器件的关键材料基础，其品质直接决定器件性能。高品质氧化镓外延薄膜以及缺陷与掺杂调控是器件应用的关键。目前国外已实现导模法4英寸单晶初步量产，6英寸晶坯的突破。国内已逐步实现4英寸晶体。
氧化镓薄膜外延进展方面，采用MOCVD、MBE、HVPE等技术外延生长氧化镓薄膜。通过Si、Sn等掺杂实现载流子浓度从1015到1020 cm-3范围的调控。对于氧化镓薄膜外延存在的问题，报告认为大部分外延研究工作集中在（010）面衬底；然而(100), (001) 面更容易获得大尺寸衬底，但缺陷，位错密度高，生长速度慢。需进一步发展低背景载流子浓度、低缺陷密度的外延薄膜等。
报告介绍了设备与表征技术，以及Si、Sn掺杂氧化镓电子结构研究成果，研究利用脉冲激光沉积和分子束外延技术分别通过Si和Sn掺杂实现了氧化镓外延薄膜载流子从3×1017 cm-3到 2.6×1020 cm-3的大范围调控。其中，1% Si掺杂的Ga2O3薄膜实现了目前文献报道的最高导电率 2520 S/cm和最高载流子浓度 2.6×1020 cm-3。结合同步辐射硬X射线光电子能谱（HAXPES）和密度泛函理论（DFT）计算，阐明了Si是氧化镓最优选的n型掺杂剂，并提出Si共振掺杂机制的理论模型。明晰缺陷与掺杂机制，极少量杂质/缺陷的抑制策略。
另一方面，课题组也对氧化镓薄膜的表界面电子结构进行系统研究，发现氧化镓表面存在高达0.8 eV的向上能带弯曲，其内在原因是Ga 4s轨道构成的导带底部能量较高和氧化镓较低的功函数（仅为3.2 eV）。向上的能带弯曲给Ga2O3欧姆接触带来挑战。Si重掺杂的氧化镓薄膜能有效缓解肖特基势垒的形成。
研究在氧化镓薄膜外延、缺陷与掺杂机制和表界面电子结构的研究结果为氧化镓材料和光电子器件的开发具有一定的指导意义。
西安电子科技大学王逸飞：基于氧化镓材料性能调控及高性能日盲紫外光电探测器的研究
期间，“平行论坛2：光电子器件及应用”上，西安电子科技大学微电子学院博士研究生王逸飞带来“基于氧化镓材料性能调控及高性能日盲紫外光电探测器的研究”的主题报告，超宽禁带半导体氧化镓因其高击穿场强、稳定性好和具有天然的日盲带隙等特点近年来受到广泛关注，然而在实际应用中仍面临一些问题，例如有效的p型氧化镓半导体获得以及基于氧化镓的日盲紫外光电探测器对紫外光的响应不足。
报告分享了氧化镓材料性能调控和氧化镓日盲探测器方面的研究进展。报告指出，缺电子元素与N元素共掺杂方法将受主能级位置有效降低，实现了p型氧化镓；过渡金属掺杂调控氧化镓，揭示过渡金属元素掺杂氧化镓形成能和引入缺陷能级规律的同时，还首次发现IB和IIB族金属将会引入AX中心，是阻碍p型氧化镓的获得的新原因；低维氧化镓材料的性质，包括电学性质、光学性质、力学性质和热学性质等，并对其进行单轴应变、外加电场以及杂质原子钝化等方法调控，为未来高性能低维氧化镓基器件的制备提供理论指导；首次提出采用有机聚合物调控氧化镓光电探测器，其响应度增加36 %，提升了对日盲紫外光的响应特性；探究不同In组分掺杂的影响，实现高迁移率（μsat= 3.63 cm2/V·s）、低亚阈值摆幅（SS= 1.38 V/decade）的氧化镓薄膜晶体管，进一步获得对日盲紫外光高响应特性的光电探测器；构建In2O3/IGO异质结晶体管，获得更高载流子迁移率（μsat= 10.22 cm2/V·s）的异质结晶体管，为未来光电探测应用提供器件基础；氧化镓与不同二维材料体系的界面特性，丰富氧化镓界面理论的同时为制备高性能氧化镓/二维材料基光电探测器提供理论指导。
中电科13所敦少博：高耐压氧化镓功率器件研制进展与思考
“平行论坛1：功率半导体器件设计及集成应用”上，中国电子科技集团公司第十三研究所重点实验室高级工程师敦少博带来了题为“高耐压氧化镓功率器件研制进展与思考”的主题报告。
中国电子科技集团公司第十三研究所是中国成立最早、规模最大、技术力量雄厚、专业结构配套的综合性半导体研究所。主要涉及微电子、光电子和微机械电子系统（MEMS）等三大领域。报告指出，P型掺杂技术缺失依然是氧化镓功率器件发展面临的重大瓶颈问题，开发新型终端结构、寻求替代方案是目前国际研究热点之一 。氧化镓二极管相对更成熟一些，小尺寸二极管进展迅速，部分性能已超越SiC材料理论极限， 在高压、低导通特性显现出一定的性能优势。当前仍亟需材料、器件与应用端协同攻关，实现高性能大尺寸功率器件研制，推动氧化镓功率器件工程化应用。
中国电科46所霍晓青：面向氧化镓功率器件的大尺寸氧化镓单晶材料技术
期间，中国电子科技集团第四十六研究所高级工程师霍晓青做了“面向氧化镓功率器件的大尺寸氧化镓单晶材料技术”的主题报告。
Ga2O3 共有五种晶相：α、β、γ、δ、ε，相互之间在特定条件下会有相变发生，其中β-Ga2O3是最稳定的相。可用熔体法生长，具备大尺寸、低缺陷、低成本等优点，是最有可能率先实现产业化的超宽带半导体材料。日本富士经济预测，到2025年，Ga2O3功率器件的市场规模将达到700亿日元左右，衬底及外延占总规模50%计算，预计350亿日元，约为2500万美元。我国“十四五”总体规划以及各专项规划也分别将Ga2O3半导体材料纳入发展重点。
从国内外氧化镓发展来看，2014年，采用CZ法成功生长出2英寸Mg掺杂氧化镓单晶，该方法不适用于高掺杂N型晶体，铱金坩埚成本高。EFG法可以实现大尺寸氧化镓单晶生长，可以实现低阻、高阻掺杂，生长速度快，但铱金坩埚成本高。VB法利用中频感应加热/电阻加热方式，使用铂铑坩埚，实现了2~3英寸(100)/(010)/(001) 面氧化镓单晶生长。可以实现高阻、低阻掺杂，成本相对较低，值得期待。2022年，日本C＆A株式会社和东北大学共同研发，采用冷坩埚法实现了2英寸的氧化镓衬底制备。国际上首个无贵金属法制备的氧化镓单晶。技术尚不成熟。
中国电科46所已成功制备出我国首颗6英寸氧化镓单晶，达到国际最高水平。报告中介绍了中国电科46所研究进展，其中，目前已实现（100）、（001）、（010）、（-201）等多种晶面衬底制备。氧化镓晶体生长可重复性良好，可以实现低阻、高阻掺杂，并保持高结晶质量。氧化镓衬底加工表面质量良好，原子台阶清晰，平整度高，可以小批量供货。2021年底率先突破了HVPE氧化镓同质外延技术，国内唯一可以制备出2英寸HVPE β-Ga2O3同质外延片的单位。
HVPE热场流场的设计仿真和工艺的调控，对氧化镓外延表面平坦化的高精度控制，获得了高结晶质量高表面质量且均一性良好的HVPE氧化镓外延片。 当前系统能够实现有效可控的Si微量掺杂，且Si掺杂量随外延层厚度变化的均匀性良好，外延层载流子浓度 在5E15cm-3～1E18cm-3可调控。
报告指出，近几年来，氧化镓在衬底、外延生长等方面进展很快，呈现出多种 方法齐头并进的局面，氧化镓单晶材料应用方向不断被拓展，氧化镓基器件性能得到大幅提升，SBD、MOSFET击穿场强远超SiC、GaN等材料的理论极限，未来可期；但是由于其结构特殊性，衬底和外延生长过程中仍面临很多挑战。
