【国内论文】AFM丨福州大学氧化镓团队：镓基半导体集成电路：新兴光电子器件的过去、现在与未来

        Advanced Functional Materials 是著名的 Advanced portfolio 和顶级材料科学期刊的一部分，发表与改善材料的化学和物理性能有关的杰出研究。期刊指标，IF: 19，h-index: 269，CiteScore: 27.70。中国科学院分区：1区Top。

        半导体材料是现代电子工业的基石，而镓（Ga）基半导体的兴起标志着材料科学的一场重大革命。随着摩尔定律接近物理极限，传统硅基器件在处理高功率、高频率、耐高温以及短波长光电转换（如深紫外探测）时表现乏力。硅是间接带隙半导体，发光效率极低，难以胜任高性能发光器件和激光器的要求。GaAs作为第二代半导体的代表，砷化镓（GaAs）凭借其高电子迁移率，彻底改变了移动通信和早期光电器件。GaN作为第三代宽禁带（WBG）半导体的核心，氮化镓（GaN）的成功商业化引发了固态照明革命，并目前在 5G 射频和快充电源领域占据统治地位。随着对更高电压（4.5 kV以上）和特殊波段（日盲紫外、中长波红外）需求的增加，氧化镓等超宽禁带（UWBG）材料成为研究前沿。早期的镓基应用多为离散器件，但为了追求更小的体积、更低的寄生电感和更高的能效，集成电路化成为了当前及未来的核心发展方向。

        1、文章详细介绍了四种主要镓基材料的晶体结构、能带结构和关键物理参数：

        ● GaN (氮化镓)：宽禁带（~3.4 eV），高电子迁移率，主要用于蓝光LED、激光器、高频/高功率器件。

        ● GaAs (砷化镓)：直接带隙（~1.4 eV），电子迁移率极高（是Si的6倍），适用于高速电子、红外光电子和微波器件。

        ● β-Ga₂O₃ (氧化镓)：超宽禁带（~4.9 eV），拥有极高的击穿电场强度（~8 MV/cm），是第四代半导体的代表，极具潜力用于超高电压功率器件。

        ● GaSb (锑化镓)：窄带隙（~0.7 eV），主要用于中远红外探测器和激光器。

        2、 材料制备技术

        （1）晶圆生长：

        ● GaAs/GaSb：主要采用液封直拉法（LEC）、垂直梯度凝固法（VGF）等，已实现6-8英寸商业化生产。

        ● β-Ga₂O₃：由于熔点高且易分解，常用边缘定义薄膜供料生长法（EFG）、垂直布里奇曼法（VB）等。日本已成功生长出6英寸晶圆。

        ● GaN：因极高的分解压力，难以用传统熔融法生长。主流方法包括氢化物气相外延（HVPE）和液相法（如助熔剂法、氨热法）来制备体单晶。

        （2）外延薄膜生长：

        ● MOCVD（金属有机化学气相沉积）：是生产光电子和功率器件外延层的工业标准。

        ● MBE（分子束外延）：在超高真空下生长，质量极高，适合精密结构（如超晶格）。

        ● HVPE（氢化物气相外延）：生长速率快、成本低，在GaN和β-Ga₂O₃同质外延方面进展显著。

        3、 新兴应用领域

        文章重点探讨了两大前沿应用方向：

        （1）微型发光二极管（Micro-LEDs）

        ● GaN Micro/Nano-LED：通过将LED尺寸缩小到微米甚至纳米级，可提升光提取效率，并应用于微型显示器、增强现实（AR）和可见光通信（VLC）。

        ● GaN 激光器（VCSEL）：垂直腔面发射激光器是未来光通信和AR的关键光源。

        主要挑战在于高质量分布式布拉格反射镜（DBR）的制备。

        （2）功率电子学

        ● GaN 功率二极管：随着原生GaN衬底质量的提升（位错密度降至10⁴ cm⁻²量级），垂直结构的GaN二极管展现出巨大优势，已实现超过6 kV的击穿电压。

        ● 不仅讨论单一材料，而是探讨了不同镓基材料之间构建同质异构或异质结构的可能性，以突破单一材料的性能天花板。

        ● 从材料合成、器件物理、电路设计到系统级应用，建立了完整的逻辑闭环。

        ● 强调了从混合集成向单片集成转变过程中，如何解决材料晶格失配和热膨胀系数不匹配的科学难题。

        镓基半导体凭借其独特的内在特性，包括宽带隙、高电子迁移率和优异的热稳定性，在电子和光电子应用领域展现出变革性潜力。在电力电子领域，GaN 高电迁移率晶体管凭借 2000 cm²⋅V^-1 ⋅s⁻¹ 的高电子迁移率和二维电子气特性，实现超过 1.1 kV 的阈值电压；而 p-GaN 栅极结构则实现了可靠的常闭工作模式。β-Ga₂O₃ 肖特基势垒二极管创下 8.32 kV 的栅极电压纪录，功率密度达 13.21 GW·cm⁻²，超越了碳化硅和氮化镓的理论极限。在光电子应用领域，GaN 基 Micro-LED 实现 307 lm·W⁻¹的光效及 7.48 Gb·s⁻¹的可见光通信速率，其中纳米线结构有效抑制了量子限制斯塔克效应。通过带隙工程，砷化镓量子点实现了高效单光子发射；而砷化镓/砷化铟 II 型超晶格则实现了可调谐红外检测（3-32 µm），在 80 K 时具有高检测率（1.7 × 10¹¹cm⋅Hz^0.5⋅W⁻¹）。

        本工作得到以下项目资助：国家自然科学基金（项目编号：62204270, 62501162），福建省自然科学基金（项目编号：2024J01251），福建省科技重大专项（项目编号：2024HZ027006），福建省科技计划项目基金（项目编号：2022I0006），福建省中青年教师教育科研项（项目编号：JAT220020），泉州市科技局科技重大专项（项目编号：2022GZ04）。

图1 镓族元素的主要应用领域。

图2 (a) 近几十年来 GaN、GaAs、GaSb 和 Ga₂O₃ 相关论文数量。(b) 氮化镓家族发展时间线。插图说明：“(Al_xGa_1−x)₂O₃/Ga₂O₃ 高电子迁移率晶体管”。

图3 (a) GaN 晶体结构（六方晶系，P6₃mc）。(b) GaAs 晶体结构（立方晶系，F-43m）。

图4 (a) MR 芯片结构。MR LED 晶圆，上半部分未转换，下半部分采用微晶体荧光粉进行转换。蓝色 MR LED 与黄色、红色微晶体荧光粉的 CIE 图，以及由此产生的白色 LED。 (b) 研究中工艺步骤示意图。（c）紫外皮秒激光与 GaN 薄膜的相互作用示意图。成功将 2 × 2 cm² 平面 GaN 薄膜转移至柔性 TRT 衬底。

DOI：

doi.org/10.1002/adfm.202527869