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【国内新闻】氧化镓外延生长和功率器件论文合集（下）
日期：2023-08-04阅读：310
5、Mist-CVD法快速制备高质量2英寸α-Ga2O3外延膜
氧化镓 (Ga2O3) 作为超宽禁带半导体材料，未来在功率器件、深紫外光电器件、微波器件等领域有着广阔的应用前景。氧化镓材料具有五种常见的晶相，分别为α、β、γ、ε、δ，其中亚稳相α-Ga2O3在氧化镓材料家族中表现出更大的禁带宽度 (5.3 eV)、更高的击穿场强 (10 MV/cm) 以及更优异的巴利加优值 (6276)，近年来吸引了业界内的广泛关注。目前，用于制备α-Ga2O3的方法主要包含Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)，Molecular Beam Epitaxy (MBE) 以及Mist Chemical-Vapor Deposition (Mist-CVD) 等方法。其中Mist-CVD方法由于设备结构简单、搭建成本与维护成本低、安全可靠等特点常应用于α-Ga2O3外延膜的制备。然而，过低的生长速率限制了未来α-Ga2O3外延膜的商业化应用，外延膜质量也有待进一步提高。
近日，山东大学陶绪堂教授课题组在2英寸蓝宝石衬底上通过Mist-CVD方法制备出高质量α-Ga2O3外延膜。他们在该工作中系统研究了衬底安装位置对α-Ga2O3外延膜生长速率的影响以及生长温度对α-Ga2O3外延膜晶体质量的影响。结果表明，降低蓝宝石衬底的安装位置能够减缓前驱体在传输过程中的损耗，有效提升α-Ga2O3外延膜的生长速率，最快可达1.45 μm/h。通过优化生长温度，在α-Ga2O3外延膜中有效抑制了其它晶相的出现，提升α-Ga2O3外延膜晶体质量。2英寸α-Ga2O3外延膜不同区域(0006)面摇摆曲线半峰宽在73-89 arcsec之间，表现出良好的晶体质量均匀性。
通过Mist-CVD方法实现快速制备高质量α-Ga2O3外延膜，对促进α-Ga2O3外延膜未来实现商业化应用起到了积极作用。
改文章以题为“Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga2O3 films by Mist-CVD method”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. (a) 蓝宝石衬底位置z=50mm，生长温度500-580 ℃下制备的α-Ga2O3外延膜的粉末XRD谱图，(b) (0006)晶面摇摆曲线，(c) 透过光谱，(d) 光学带隙。
图2. (a) 2英寸α-Ga2O3外延膜点位分图 (p1-p5)。(b) p1-p5点位α-Ga2O3(0006)晶面摇摆曲线。
文章信息：Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga2O3 films by mist-CVD method
doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062803
6、通过碳还原技术外延β-Ga2O3薄膜
氧化镓（Ga2O3）是一种超宽禁带的半导体材料。它的超宽带隙、高的巴利加优值、热稳定性强等优点使其在高功率电力电子器件、高温深紫外探测领域有强大的应用潜力。例如，它的超宽带隙使Ga2O3适合于制造用于UV-C辐射（波长低于280 nm）的日盲紫外探测器。此外，在自然界中，Ga2O3存在五种不同的晶体结构（α, β, ε, δ, γ），在这些结构中，β-Ga2O3（单斜晶系）的热稳定性是最好的，因而目前β-Ga2O3是各界主流的研究对象。但是由于在外延过程中，单晶β-Ga2O3薄膜的获得对结晶性能要求极高，因而大尺寸的β-Ga2O3单晶制备仍然极为困难。
近日，大连理工大学梁红伟教授课题组在c面蓝宝石上通过碳还原技术沉积了β-Ga2O3薄膜。根据XRD和SEM表征结果显示，该课题组获得了较高质量的β-Ga2O3薄膜。他们在该工作中系统研究了外延温度、氧气通量、碳粉与氧化镓粉末摩尔比对所得薄膜质量的影响。结果表明，外延过程存在着一个最适宜的温度。针对该生长系统，这个最适宜温度是1050 ℃。温度低于该值时，系统内产生的Ga2O或Ga等气体不能高效率地移动到衬底处与系统内的氧气反应进而生成β-Ga2O3薄膜。而当温度过高时，分子或原子获得的动能足够大以至于它们不能彼此很好地结合，这同样不利于β-Ga2O3薄膜的生成。此外，氧气通量也是一个非常关键的影响因素。通过理论分析可以看出，氧气通量的增加有利于Ga2O或Ga气体与之反应进而生成产物——Ga2O3。然而当系统内的氧气通量过多时，这会破坏蓝宝石衬底中氧原子与β-Ga2O3中氧原子间的平行关系，进而破坏生长过程。最后，通过调整碳粉的用量探究了反应物间不同摩尔比对β-Ga2O3薄膜质量的影响。综合考虑，该课题组认为1050 ℃、20 sccm O2、碳粉与Ga2O3粉末摩尔比10 : 1为最适宜的外延参数，在该参数下，反应2h，获得了25.32 μm厚的β-Ga2O3薄膜。
通过碳还原技术外延得到的β-Ga2O3薄膜，可以有效解决目前一些主流外延方法（如MOCVD、HVPE、MBE）所存在的有毒物质参与反应、设备昂贵、外延速率低等问题。这可以促进相关机构对β-Ga2O3薄膜的研究，为我国超宽禁带半导体材料的发展奠定基础。
该文章以题为“Investigation of β-Ga2O3 thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 不同温度下得到的薄膜的SEM平面表征结果, (a) 950 ℃大尺寸, (b) 950 ℃小区域, (c) 1050 ℃, (d) 1350 ℃。
图2. 碳粉与Ga2O3粉末不同摩尔比情况下得到的β-Ga2O3薄膜的XRD，(a) 20 : 1, (b) 10 : 1, (c) 5 : 1。
文章信息：Investigation of β-Ga2O3 thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction
doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062804
7、Sn掺杂Ga2O3薄膜的制备及其日盲探测性能
氧化镓（Ga2O3）的禁带宽度约为4.2-4.9 eV，对应能量的光子波长为253-295 nm，可以实现日盲区的全覆盖，为天然日盲探测材料。目前Ga2O3单晶衬底的成本居高不下，Ga2O3纳米材料制备探测器工艺过程复杂，难以批量制作，Ga2O3薄膜基日盲探测器最具商业应用前景。射频磁控溅射法制备Ga2O3薄膜具有薄膜生长速度快、工艺成本低、成膜质量好，环境污染少等优势，适合大规模使用。然而，磁控溅射法制备的薄膜为非晶或多晶，非晶态Ga2O3薄膜电阻率高，所制日盲探测器件的光电流小，限制了器件的响应度等性能参数，Sn掺杂是提高Ga2O3薄膜基日盲探测器响应度的有效途径，但同时会降低其选择性。
近日，西安邮电大学陈海峰教授课题组使用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出了Sn掺杂Ga2O3薄膜，研究了退火气氛对薄膜日盲探测性能的影响。结果表明，Sn掺杂后，Ga2O3日盲探测器对254 nm紫外光的响应度显著提高，而同时对365 nm紫外光也有了较明显的响应。经氮气气氛退火的Sn掺杂Ga2O3基器件性能最优，对254 nm紫外光的响应明显，在20 V电压下光电流为10 μA，暗电流为5.76 pA，光暗电流比达1.7 × 106，响应度为12.47 A/W，外部量子效率为6.09 × 103%，比探测率为2.61 × 1012 Jones，响应、恢复时间分别为378 ms和90 ms。器件的一致性、稳定性和重复性能够达到应用要求，响应度和选择性还需通过优化薄膜制备和退火工艺进一步提升。
探索退火工艺条件，进一步提高薄膜的结晶质量，对促进Ga2O3日盲探测器的性能指标和商业应用起到了积极的作用。
该文章以题为“Preparation of Sn doped Ga2O3 thin films and their solar blind photoelectric detection performance”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. Ga2O3薄膜的XPS谱：（a）全部测量峰，（b）Ga 3d 峰，（c）Sn 3d 峰，（d）O 1s峰。
图2. Ga2O3日盲探测器的 I-t 特性曲线：(a) 未退火，(b) 氮气气氛退火，(c) 空气气氛退火，(d) 未退火（图（a）中一部分），(e) 氮气气氛退火（图（b）中一部分），(f) 空气气氛退火（图（c）中一部分）。
文章信息：Preparation of Sn-doped Ga2O3 thin films and their solar-blind photoelectric detection performance
doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062805
8、高质量、大尺寸氧化镓微米线的制备和器件性能研究
氧化镓（Ga2O3）以其优异的性能受到了世界各国的关注和研究，已成为继氮化镓、碳化硅之后新的研究热点。Ga2O3禁带宽度约4.9 eV，在深紫外光探测和高功率电子器件方面具有潜在的应用价值。目前，基于不同形式Ga2O3的日盲紫外探测器的研究被广泛报道，包括体材料、薄膜和微纳结构。Ga2O3薄膜可以通过多种方法生长，但晶体质量仍有待提高。
近期东北师范大学李炳生教授课题组利用化学气象沉积的方法制备了大尺寸、高结晶质量的Ga2O3微米线，并研究了微米线基光电导型器件对深紫外光的探测性能。研究团队利用碳热还原氧化的方法成功制备了大尺寸Ga2O3微米线（图1）。微米线长度可达1 cm，表面光滑，截面呈四边形。随后对微米线的光电探测性能进行了测试，显示其对日盲紫外光有明显的响应特性（图2）。得益于材料的高质量，在10 V偏压下，器件暗电流低至0.1 nA，日盲可见比可达5.8 × 105，表现出优异的光电探测性能。本研究结果对高质量Ga2O3基微纳米光电子器件的制备提供了重要的借鉴。
该文章以题为“Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga2O3 microwires”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. (a-b) Ga2O3微米线照片。(c-d) Ga2O3微米线的SEM图像。
图2.（a）Ga2O3微米线暗态和250 nm光照下的I-V曲线。（b）Ga2O3微米线在10 V偏压下的光响应谱。（c）Ga2O3微米线在10 V偏压下的探测率谱。
文章信息：Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga2O3 microwires
doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062806
