【会员论文】深圳平湖实验室张道华院士联合上海科技大学邹新波教授、东华大学团队：关于垂直型 β-Ga₂O₃ 功率器件的全景解析

        由深圳平湖实验室张道华院士联合上海科技大学邹新波教授、东华大学的研究团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为 Recent Advances in Vertical β-Ga₂O₃ Power Devices: Epitaxy, Processing, and Performance（垂直型 β-Ga₂O₃ 功率器件的最新进展：外延、工艺与性能）的文章。

        传统硅基功率器件的性能已逐渐无法满足电力电子系统对高功率密度、高工作频率的发展需求。β-Ga₂O₃ 作为新一代超宽禁带半导体材料，禁带宽度约为 4.9 eV，理论临界击穿电场高达 8 MV/cm，同时可通过熔体法制备大尺寸、低成本单晶衬底，综合性能远超硅、碳化硅、氮化硅等材料，是高压、高效率功率器件的理想候选材料。

        相较于横向器件，β-Ga₂O₃ 纵向功率器件具备电场分布均匀、电流承载能力强、面积利用率高、散热效果好等优势，成为当下主流研究方向。目前该领域仍存在多项技术瓶颈：外延层晶体缺陷多、器件工作稳定性差；β-Ga₂O₃ 难以实现高效稳定的 p 型掺杂，无法制备高质量同质 pn 结；材料本征热导率偏低，大功率工况下易出现热失效；同时器件边缘终端工艺、辐照 / 高低温环境下的可靠性问题也亟待解决。

        本文系统综述 β-Ga₂O₃ 纵向功率器件的研究进展，详细对比氢化物气相外延（HVPE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）三大主流外延工艺的特点与适用场景，分类剖析肖特基势垒二极管、pn 异质结二极管、各类纵向晶体管的结构、工艺与性能，并针对 p 型掺杂、热管理两大核心难题提出分阶段解决方案，为该类器件的后续研发与产业化提供参考。

        电力变换系统对更高功率密度与工作频率的需求，推动器件技术突破传统硅材料的性能极限。单斜相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为极具前景的超宽禁带半导体，可应用于新一代高压、高效率功率电子器件。该材料拥有约 4.9 eV 的宽禁带、8 MV/cm 的高理论临界电场，还可制备大尺寸、低成本熔体生长衬底。上述本征特性让纵向器件结构能够获得超高击穿电压，同时降低导通损耗。但目前纵向 β-Ga₂O₃ 器件的应用仍受外延层质量、器件失效、p 型掺杂效率低、散热不足等问题制约。随着外延生长、器件制备、缺陷调控技术的快速发展，纵向 β-Ga₂O₃ 功率器件的应用价值逐步显现。想要充分发挥 β-Ga₂O₃ 在大功率领域的优势，仍需持续攻克 p 型导电与散热两大难题。本文总结的技术方案，同样可为其他新型半导体材料提供借鉴。

        ·系统对比 HVPE、MOCVD、MBE 三种主流 β-Ga₂O₃ 外延工艺的生长速率、晶体质量、量产能力与现存缺陷，明确不同工艺的适用场景。

        ·全面梳理纵向肖特基二极管、pn 异质结二极管、FinFET、CAVET、VDBFET、UMOSFET 等主流纵向功率器件的结构设计、边缘终端技术、电学性能参数。

        ·深入分析热、电、辐照多类应力下的器件失效机理，阐明致命缺陷对器件漏电流、击穿电压的影响规律。

        ·针对 β-Ga₂O₃ p 型掺杂难题，提出短期异质结、中期合金 / 缺陷工程、中期原位掺杂三级技术路线；同时从器件、封装两个维度搭建热管理方案。

        ·结合现有技术瓶颈，预判 β-Ga₂O₃ 纵向功率器件的商业化发展路径与未来研究重点。

        该团队综述了 β-Ga₂O₃ 功率电子技术的核心内容，包含外延生长、纵向器件结构，以及 p 型掺杂、热管理的优化方案。β-Ga₂O₃ 器件有望在新一代功率变换器中发挥重要作用，但实现大规模商业化仍需攻克多项关键难题。

        HVPE、MOCVD、MBE 等外延技术推动了纵向器件的发展，为高性能 β-Ga₂O₃ 功率器件奠定基础。其中 HVPE 适合低成本量产，MOCVD 兼顾工艺精度与生长速率，MBE 可制备超高纯度薄膜。面向实际应用，β-Ga₂O₃ 外延技术仍需持续降低缺陷密度，保障大尺寸衬底上的薄膜均匀性。

        目前纵向器件性能提升显著，已实现 10 kV 以上击穿电压，但性能仍远未达到材料本征极限，主要受材料缺陷、工艺不完善、失效机理不明等因素限制。当下研究重点为识别并抑制劣化击穿特性的致命缺陷；同时采用高效边缘终端技术优化界面、缓解电场集中，提升耐压能力。此外，开发低阻无金欧姆接触也是降低导通损耗的关键。

        在材料与器件技术迭代的同时，p 型掺杂与热管理依旧是核心瓶颈。p 型掺杂稳定性差，不仅限制 CMOS 电路集成，还会引发器件可靠性问题。器件级与封装级热管理方案是抑制自发热的必要手段，一体化结构与异质结设计可进一步提升器件性能。

        依托多学科交叉研究，β-Ga₂O₃ 纵向器件有望革新功率电子领域、满足全球能源应用需求。随着技术不断成熟，该类器件未来将与硅、碳化硅等成熟技术展开激烈竞争。

        本研究得到国家自然科学基金（52131303）、广东省基础与应用基础研究基金（2026A1515010747）、深圳平湖实验室项目（9250）的资助。

图 1 基于原胞的 β-Ga₂O₃ 晶体超胞结构

图 2 β-Ga₂O₃ 电子迁移率与载流子浓度对标图

图 3 氢化物气相外延制备 (001) 取向 β-Ga₂O₃ 外延层表征：(a) 800 ℃ 生长 1 h 薄膜表面形貌图；(b) 1000 ℃ 生长 1 h 薄膜表面形貌图；(c) 不同温度下 (002) 衍射面 X 射线摇摆曲线；(d) 1000 ℃ 生长的 HVPE β-Ga₂O₃ 薄膜二次离子质谱深度分布曲线

图 4 晶面对 HVPE 外延 β-Ga₂O₃ 的影响：(a)β-Ga₂O₃ 不同晶面结构示意图；(b) 生长速率在 (001) 晶面及向 (010) 晶面过渡的取向依赖性；(c) 不同偏角 Δβ 下 β-Ga₂O₃ 薄膜表面光学显微图

图 5 HVPE 外延 (011) 取向 β-Ga₂O₃ 外延层表面：(a、b) 不同扫描范围下的原子力显微镜图像；(c) 外延层与衬底界面的扫描透射电子显微镜图像

图 6 HVPE 制备 (001) 取向 β-Ga₂O₃ 外延层缺陷表征：(a) 堆垛层错经腐蚀后形成的腐蚀坑原子力显微镜图，呈指向 [100] 方向的心形，由 (111) 与 (1-11) 堆垛层错构成；(b) 线状缺陷微分干涉显微镜图；(c) 肖特基二极管的同步辐射 X 射线形貌图（黑白衬度）与多晶缺陷微分干涉显微镜叠加图

图 7 氮掺杂 (010) 取向 β-Ga₂O₃ 薄膜表征：(a) 以氧气、(b) 以一氧化二氮为氧源制备的 (010) 同质外延薄膜原子力显微镜图；(c) 一氧化二氮制备薄膜与纯 β-Ga₂O₃ 室温霍尔迁移率对比

图 8 由衬底纳米管与外延层多边金字塔构成的共生缺陷：(a) 截面示意图；(b) 透射电子显微镜图

图 9 4° 偏角 (100) 衬底上不同厚度 β-Ga₂O₃ 同质外延薄膜原子力显微镜图：(a) 300 nm；(b) 3000 nm

DOI： 

10.1088/1361-6641/ae7ab3