寬禁帶半導體氧化鎵晶體和器件研究進展

陶緒堂，穆文祥，賈志泰

(山東大學 晶體材料國家重點實驗室，山東 濟南 250100)

1 前 言

半導體材料是現代信息技術的基石，半導體材料的發展推動了電子、信息、通訊、能源等領域的快速發展。其中以Si，Ge為代表的第一代半導體材料的發展推動了信息技術革命；以GaAs、InP為代表的第二代化合物半導體材料在無線電通訊、微波雷達及紅光LED方面有重要的應用；第三代半導體材料也被稱為寬禁帶半導體材料，以SiC、GaN和ZnO等材料為代表，在功率器件、短波長光電器件、光顯示、光存儲、光探測、透明導電等領域有著廣闊的應用[1]。目前，禁帶寬度更大的金剛石、Ga2O3、AlN及BN等超寬禁帶半導體材料，具有更加優異的物理性能，在節能減排、信息技術、國防裝備等領域有重要應用前景，逐漸受到國內外專家的重視[2-4]。

Ga2O3是一種新型寬禁帶半導體材料，已知晶相共6種，包括α，β，γ等5種穩定相和1個瞬態相κ-Ga2O3[5-6]，其中β相為熱力學穩定相。Ga2O3熔點約為1793 ℃[7]，高溫下其他相均轉變為β-Ga2O3，通過熔體法只能生長獲得β-Ga2O3單晶。β-Ga2O3在體塊單晶生長方面，相對其他晶相具有明顯優勢。

β-Ga2O3晶體禁帶寬度約為4.7 eV，遠大于Si(1.1 eV)、GaAs(1.4 eV)、SiC(3.3 eV)及GaN(3.4 eV)等材料[3, 8]。大的禁帶寬度使β-Ga2O3具備制作高耐壓、大功率、低損耗功率器件及深紫外光電器件的能力，可以彌補現有半導體材料的不足[4, 9]。此外，相比SiC、GaN等寬禁帶半導體材料，β-Ga2O3在材料制備方面優勢明顯。β-Ga2O3與單晶Si、GaAs類似，可以采用熔體法生長，晶體制備成本較低[10-12]。因此，β-Ga2O3晶體作為一種低成本、超禁帶半導體材料具有良好的應用前景。

本文主要介紹β-Ga2O3單晶生長方法及研究進展，重點討論了導模法生長晶體的工藝過程、氣氛優化、溫場調控及開裂抑制等問題。此外還進一步討論了單晶襯底加工及器件應用研究。

2 導模法單晶生長

2.1 導模法生長β-Ga2O3簡介

導模法(edge-defined film-fed growth method, EFG)是一種重要的晶體生長方法，具有能生長特殊形狀晶體、生長速度快、生長成本低等優點，常用于生長單晶硅、閃爍材料、藍寶石等晶體[13-19]。與提拉法相比，導模法需要在坩堝中放置模具，晶體生長界面位于模具上表面，如圖1所示[17]。高溫下，由于表面張力的作用，熔體沿模具中的毛細管上升到模具上表面。熔體沿毛細管上升高度H由公式(1)決定：

(1)

對于毛細縫，上升高度H為：

(2)

其中γ為熔體表面張力，θ為熔體與毛細管之間的接觸角，ρ為熔體密度，g為重力加速度，r為毛細管半徑，d為毛細縫寬度。

圖1 導模法晶體生長原理圖[17]Fig.1 Schematic diagram of EFG method[17]

導模法晶體生長界面位于模具與晶體的交界處，銥金模具固定于銥金坩堝中，晶體生長界面不隨坩堝中熔體的變化而變化。除此之外，相較于提拉法，導模法晶體等徑生長過程中，模具上方液膜全部被晶體覆蓋，模具上方散熱環境一致，生長界面更為穩定，適合生長高電子濃度β-Ga2O3晶體。德國、美國等國家主要采用提拉法生長β-Ga2O3晶體，日本、中國等國家多采用導模法生長β-Ga2O3晶體。由于導模法晶體生長界面更加穩定，目前高電子濃度體塊單晶主要通過導模法生長。

2008年,Namiki Precision Jewel公司也探索了β-Ga2O3導模法晶體生長工藝，研究了晶體收頸對晶體開裂的影響[20]，獲得晶體如圖2所示。

圖2 導模法生長獲得β-Ga2O3晶體[20]Fig.2 β-Ga2O3 crystals grown by EFG method[20]

目前，日本田村制作所(Tamura)在單晶生長方面處于領先地位，已經實現了2英寸晶圓的產業化，并生長獲得了6英寸晶體，如圖3所示[21]。此外，n型高摻β-Ga2O3晶體也可以通過導模法生長。

圖3 Tamura生長的β-Ga2O3晶體[21]Fig.3 β-Ga2O3 crystals grown by Tamura[21]

為比較不同晶體生長方法在β-Ga2O3晶體生長方面的適用性，作者課題組從晶體質量、晶體尺寸、電導率是否可控3個主要方面對目前已有的β-Ga2O3體塊單晶生長方法進行了比較，如表1所示[10-12]。可以看出，提拉法(czochralski, CZ)、導模法(edge-defined film-fed growth, EFG)、布里奇曼法(vertical bridgeman, VB)可以生長獲得高質量晶體；提拉法、導模法有望生長獲得大尺寸β-Ga2O3晶體；化學氣相傳輸法(chemical vapor transport, CVT)、焰熔法(verneuil)、光浮區法(optical floating-zone, OFZ)、導模法及布里奇曼法可以有效控制晶體電導率。綜合上述3種因素，導模法是目前最有潛力的β-Ga2O3單晶生長方法，并且也是目前唯一實現β-Ga2O3商業化的晶體生長方法。

表1β-Ga2O3晶體生長方法比較[10-12]

Table1Comparisonofdifferentcrystalgrowthmethodsofβ-Ga2O3[10-12]

MethodsCrystalline qualityCrystal sizeConductivity controlCVT××√Flux×××Verneuil××√OFZ—×√VB——√CZ√√—EFG√√√

Note：“×”- not good; “—”-ordinary; “√”-good

2.2 導模法生長β-Ga2O3晶體及工藝優化

作者課題組使用的β-Ga2O3單晶生長設備為自主改進的導模法晶體生長爐，中頻感應加熱，銥金坩堝作為發熱體，配合自主設計模具及保溫材料，爐內通入特定保護氣氛。

在探索初期，生長設備加裝了CCD，對晶體生長界面實現了實時監控。如圖4所示[17]，晶體生長過程成像清晰，為晶體生長參數調整提供了有效參考。

圖4 導模法生長β-Ga2O3晶體成像[17]Fig.4 CCD images of growing β-Ga2O3 in EFG method[17]

氧化鎵原料在高溫下容易揮發，揮發出來的氣態Ga2O3會在保溫材料及晶體表面重新凝結，嚴重時凝結的針狀、片狀晶體會影響稱重信號，影響晶體的上拉過程。圖5為在Ar氣保護氣氛下，針狀、片狀雜晶凝結情況及晶體生長過程中重量信號的變化。雜晶導致晶體重量信號出現較大波動，重量信號失去相應的參考價值。雜晶的形成還會擾動結晶過程，影響晶體的結晶質量[22]。

為解決上述問題，作者課題組在保護氣氛中加入了CO2，以減弱β-Ga2O3在高溫下的揮發、分解。CO2可以在高溫下發生分解反應如式(3)[23]：

(3)

晶體生長時溫度較高，CO2會分解出較多的O2，增加氣氛中的氧分壓，抑制β-Ga2O3原料的揮發、分解。因此，CO2的加入，可以起到動態調節生長氣氛中氧分壓的作用[23]。后期作者課題組將保護氣氛更換為70% CO2、1% O2和29% N2的混合氣氛(體積分數，下同)，1% O2不會造成銥金坩堝及模具的嚴重氧化，70% CO2又可以在高溫下提供額外氧分壓，晶體生長過程中氧化鎵原料的揮發、分解及凝結過程得到了大大抑制。圖6為優化后的晶體稱重信號，可以看出，晶體稱重信號隨時間穩定上升，晶體生長非常穩定[22]。

圖5 晶體生長過程中的雜晶凝結及晶體稱重信號[22]Fig.5 Condensate polycrystal around the as-grown crystal and disturbed weighing signal of the growing crystal[22]

圖6 氣氛優化后的晶體稱重信號[22]Fig.6 Weight signal of the crystal under optimized atmosphere[22]

合理的溫場設計是晶體生長的關鍵，導模法結晶過程發生在模具上表面的固液界面處，因此，溫場設計的關鍵是對模具上表面固液界面處溫度梯度的調控。為生長高質量單晶，作者課題組進行了不同溫度梯度下晶體生長的探索。因為晶體生長溫度較高，爐腔密封，溫度梯度的實際測量較為困難，所以作者根據經驗調整坩堝在線圈中的位置，對保溫材料的結構和厚度對溫度梯度的影響進行了定性研究。晶體生長初期溫場軸向溫度梯度(ΔT/Δh)較大，在較大的溫度梯度下β-Ga2O3原料的揮發和凝結現象嚴重，生長獲得的晶體表面較為粗糙。由于溫度梯度較大，生長得到的晶體中的熱應力嚴重，晶體容易產生開裂。后期作者逐步減小了溫度梯度，探索了溫度梯度對晶體生長的影響，圖7為不同溫度梯度下生長獲得的β-Ga2O3晶體。從圖中可以看出，在較小溫度梯度下生長獲得的晶體較為透亮，但是晶體表面起伏較大。這是由于在較小的軸向溫度梯度下，晶體固液界面穩定性差，晶體容易出現厚度的起伏。在中等溫度梯度下生長獲得的晶體表面情況介于上述兩種情況之間，晶體表面相對光滑、晶體通透、表面無起伏，晶體質量較高[10]。

圖7 不同溫度梯度下生長獲得的β-Ga2O3晶體照片[10]Fig.7 The β-Ga2O3 crystals grown by EFG method under different temperature gradients[10]

β-Ga2O3屬于單斜晶系，并且存在(100)、(001)兩個開裂面，晶體生長過程中容易出現開裂及孿晶。為此，在晶體生長中，籽晶收頸要細且籽晶收徑階段要長，以減少晶體中的位錯。為了避免放肩開裂，放肩過程要平緩，避免大的功率波動。放肩過程中雜晶延伸方向與晶體生長方向差別較大時，雜晶會被逐漸排除。雜晶延伸方向與生長方向相近時，則需采用二次收徑的方法排除雜晶。圖8為通過緩慢放肩生長的晶體，晶體通透無開裂，質量較高[22]。

圖8 緩慢放肩生長的高質量β-Ga2O3單晶照片[22]Fig.8 High quality β-Ga2O3 crystal grown by EFG method with careful shouldering[22]

除此之外，為避免β-Ga2O3放肩過程中的晶體開裂，作者課題組還嘗試了使用與模具同寬的籽晶進行晶體生長。該方案生長獲得的晶體照片如圖9所示，可以看出該方案可以有效防止晶體放肩開裂。但使用寬籽晶生長晶體時，晶體的下種條件較為苛刻，下種時功率調整時間較長，晶體質量與下種水平密切相關[24]。

2.3 β-Ga2O3晶體質量測試

為驗證晶體質量，作者課題組首先采用X射線勞埃背反衍射儀測試了晶體不同位置的勞埃衍射斑點。圖10為晶體上下部分的勞埃衍射斑點圖[17]，從測試結果可知，晶體衍射點清晰對稱、一致性好，說明生長的整個晶體單晶性良好。

圖10 β-Ga2O3單晶不同位置的勞埃衍射斑點圖[17]Fig.10 Laue patterns of β-Ga2O3 single crystal[17]

圖11為工藝優化后生長獲得β-Ga2O3晶體的高分辨XRD測試結果。(400)面的高分辨XRD搖擺曲線半峰寬為35.6″，曲線平滑對稱，說明生長獲得的晶體具有較高的結晶質量[22]。

圖11 β-Ga2O3單晶(400)面的搖擺曲線[22]Fig.11 Rocking curve of the (400)-faced β-Ga2O3 crystal grown by EFG method

3 晶體加工

3.1 β-Ga2O3襯底機械剝離

半導體晶體加工一般包括定向、切割、研磨及拋光等過程。一般體塊單晶只有經過合適的加工工藝處理之后，才能用于后期的薄膜外延及器件制作。β-Ga2O3單晶材料的硬度較高、脆性大、各向異性明顯、解理習性嚴重，傳統的加工過程極易導致晶體的解理、破碎。

由于β-Ga2O3晶體(100)面間結合力較弱，具有類二維材料的性質。二維材料可以通過膠帶撕拉、超聲、離子插層等方式進行剝離，實現納米級厚度二維樣品的制備。β-Ga2O3晶體(100)晶面之間雖然結合力較弱，但是由于化學鍵的存在，難以通過二維材料常用的方法獲得大面積樣品。晶體切割時，作者發現β-Ga2O3晶體容易沿(100)面斷裂，且端口光滑平整，通過刀片或小錘可以使晶體繼續沿著(100)面解理，但是晶體容易斷裂，導致晶體面積較小。

為提高晶體剝離成功率，增大晶片面積，作者課題組探索了晶體剝離前的預處理工藝。將晶體樣品置于氣氛退火爐中進行高溫氬氣及氧氣的退火實驗，相對于未退火樣品，經過氬氣退火處理后，更容易得到大面積樣品。圖12為剝離獲得的β-Ga2O3晶片[24]。

圖12 剝離獲得的β-Ga2O3晶片照片[24]Fig.12 The epi-ready β-Ga2O3 wafers fabricated by exfoliationmethod[24]

通過AFM測試，理想情況下剝離獲得的β-Ga2O3晶片可達原子級平坦，晶片粗糙度可低至0.05 nm以下，如圖13所示[24]。晶片通過剝離方式獲得，理論上避免了機械研磨過程可能帶來的表面損傷，晶片表面晶格完整度更高。

3.2 β-Ga2O3晶體化學機械拋光

為獲得其它方向襯底，作者課題組還探索了其它方向晶面的機械拋光工藝及化學拋光工藝。通過采用不同成分和粒度的磨料，可以獲得光學顯微鏡下無劃痕的晶片。然而，通過AFM測試，可以看到表面仍然有大量深度5 nm左右的劃痕。機械拋光中高硬度磨料不可避免地會在晶體表面產生劃痕。為消除劃痕，采用化學機械拋光工藝，對晶片進行了進一步處理，獲得了表面光滑的單晶襯底，晶片表面粗糙度Ra=0.35 nm，如圖14所示[17]。

圖14 化學機械拋光(001)面β-Ga2O3晶片AFM表面形貌照片[17]Fig.14 AFM image of (001)-faced β-Ga2O3 wafer polished by CMP method[17]

4 基本性能表征

4.1 β-Ga2O3熱學性能

熱導率反映了物質傳導熱量的能力，對器件散熱能力有著重要影響，熱導率可以通過以公式(4)計算獲得:

κ=λρCp

(4)

其中，λ、ρ、Cp分別為晶體的熱擴散系數、密度和比熱。圖15為β-Ga2O3晶體熱膨脹、比熱、熱擴散系數及熱導率隨溫度的變化關系。在測試溫度范圍內，晶體3個方向的熱導率隨溫度升高逐漸降低，其中b向熱導率最大，接近a*向熱導率的2倍。在室溫下，β-Ga2O3晶體在a*、b、c*3個方向的熱導率分別為14.9, 27.9 和17.9 W·m-1·K-1[10]。

半導體材料中熱量的傳導來源于聲子及電子，對于寬禁帶半導體材料，當電子濃度不是很高時(小于1019cm-3)，導熱過程主要依賴聲子完成。導熱過程主要依賴聲子貢獻時，其熱導率與溫度的關系符合公式(5)[25]：

κ(T)=AT-m

(5)

其中，κ為熱導率，A為常數，T為絕對溫度，m為1～1.5的常數。圖16為雙指數坐標系下β-Ga2O3晶體熱導率隨溫度的變化關系，通過擬合獲得a*、b、c*3個方向的m分別為0.92，0.94和0.91，數值均接近于1，說明非故意摻雜β-Ga2O3晶體從室溫到773 K范圍內，熱傳導主要來自于聲子的貢獻[10]。

圖15 β-Ga2O3晶體熱學性質隨溫度的變化關系[10]Fig.15 Temperature-dependent anisotropic thermal properties of pure β-Ga2O3 crystal[10]

圖16 雙指數坐標系下β-Ga2O3晶體熱導率隨溫度的變化關系[10]Fig.16 Temperature-dependent anisotropic thermal conductivities of pure β-Ga2O3 crystal in the log scale[10]

4.2 β-Ga2O3晶體基本光電性能

半導體材料的光學性質與電學性質有密切的聯系，其中半導體材料在紅外波段的透過率可以很好地反映材料內部自由載流子的濃度以及晶體電阻率的大小。自由載流子吸收是一種帶內電子躍遷光吸收過程，對應同一能量內載流子從低能態躍遷到高能態的過程，為間接躍遷，需要聲子或電離雜質的參與，自由載流子吸收曲線特點為無明顯結構，隨波長增加而增加[26]。

光學測試具有快速、靈敏、無損的優點，通過建立紅外透過光譜與載流子濃度之間的關系，可以實現對特定半導體材料的快速篩選、檢測。首先，采用霍爾效應測定3個載流子濃度分別為3.9×1016，2.5×1017及1.3×1018cm-3的樣品。測試樣品厚度相同，均為0.4 mm。隨后對上述3個樣品及Mg摻雜半絕緣樣品，進行1.5～11 μm波段透過光譜的測試，結果如圖17所示。可以看出，不同載流子濃度樣品透過光譜差異明顯。以此為依據，可以對晶體載流子濃度進行定性判斷，也可以用來檢驗晶體載流子濃度的均勻性，在晶體電學性質測試中具有很好的參考價值[22]。

除此之外，作者課題組詳細表征了非故意摻雜晶體硬度、折射率、光學帶隙、載流子遷移率、電阻率等參數，如表2所示[10]。基本物理性能的系統表征為后期材料應用奠定了基礎。

5 器件研究

基于β-Ga2O3晶體優異的物理性質，β-Ga2O3功率器件應用前景廣闊，特別是在超高壓、大功率領域具有明顯優勢，如圖18所示[21]。結合高效率、低損耗的優點，β-Ga2O3功率器件將有望應用于電動汽車、高壓輸電、高速鐵路等領域。

圖17 β-Ga2O3晶體紅外透過率與載流子濃度的關系[22]Fig.17 The relationship of mid-IR transmission and electron concentrations of β-Ga2O3[22]

表2 非故意摻雜β-Ga2O3晶體的基本物理性質[10]

圖18 Ga2O3應用前景預測[21]Fig.18 Application prospect of β-Ga2O3[21]

圖19給出了目前β-Ga2O3功率器件的研究進展[17]。其中，β-Ga2O3場效應晶體管(field effect transistor, FET)及肖特基二極管(Schottky barrier diode, SBD)是目前研究較多的兩種器件結構。在場效應晶體管方面，2016年日本國家信息和通信技術研究所(NICT)獲得耐壓755 V的金屬氧化物場效應晶體管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)[27]。肖特基二極管方面，NICT獲得器件耐壓超過1 kV，器件導通電阻僅5 mΩ·cm2[28]，器件性能優異。下面具體介紹兩類器件目前的研究情況。

圖19 β-Ga2O3功率器件發展歷程Fig.19 Development history of β-Ga2O3 power devices

在“日盲”探測方面，目前研究器件類型主要為肖特基(Schottky)型及Metal-Semiconductor-Metal(MSM)型器件。2007年，日本京都大學Takayoshi等通過在藍寶石上異質外延獲得了β-Ga2O3“日盲”探測器，器件響應度0.037 A·W-1，254 nm處外量子效率為18%[29]。2009年，該作者又在單晶襯底上制作了“日盲”探測器，器件在250和300 nm 處響應比達到1.5×104，響應時間9 ms，體現出良好的“日盲”特征[30]。2009年，Suzuki等利用β-Ga2O3單晶制備了肖特基“日盲”紫外探測器，通過研究發現β-Ga2O3單晶基片經過400 ℃的退火后，在260 nm以下的波段，紫外探測器的響應度增加了兩個數量級，達到1000 A·W-1[31]。Zou等在納米片上制作了β-Ga2O3“日盲”探測器，探測器響應速度小于0.3 s，響應度達到851 A·W-1[32]。2017年，美國Alema等制作的垂直型肖特基“日盲”探測器，器件響應波段帶內外抑制比達到104，外量子效率達到52%，響應時間毫秒量級，與SiC、GaN相比器件顯示了非常好的“日盲”特性，如圖20所示[33]。

圖20 β-Ga2O3探測器與其他商業化探測器(boston electronics corporation)響應范圍比較(a)，Pt-Ga2O3:Ge垂直肖特基光二極管探測器光譜響應(b)[33]Fig.20 Comparison of the photoresponsivity of the β-Ga2O3: Ge photodiode (magenta) with commercial devices (a);spectral response of the Pt-Ga2O3:Ge vertical Schottky photodiode (b)[33]

國內方面，北京郵電大學唐為華課題組對MSM型及肖特基型“日盲”探測器進行大量研究，并獲得了高性能器件[34-36]。除此之外，西安電子科技大學、電子科技大學、南京大學等單位也都開展了基于Ga2O3或其異質結構探測器的研究[37-39]。

5.1 β-Ga2O3紫外探測器

圖21a為(100)面β-Ga2O3晶片上制作了MSM型探測器件結構示意圖。器件中叉指電極通過掩膜版蒸鍍獲得，包含10 nm的Ti和40 nm的Au，電極指寬為200 μm，間隙為200 μm。圖21b為探測器暗電流及254 nm波長的光照下I-V特征曲線。可以看出，在254 nm光照下，探測器電導率明顯增大，說明探測器對254 nm光具有明顯響應[24]。

圖22為不同偏壓下，探測器響應度與激發光波長之間的關系。可以看出，在20和40 V偏壓下器件響應度曲線形狀相似，最大響應波長均為250 nm。器件響應范圍為220～280 nm，說明探測器對“日盲”波段敏感并具有較高的光譜選擇性。40 V偏壓下器件最大響應度達到0.0032 A·W-1。圖22b和22c為探測器在10 V偏壓下對254 nm光時間響應曲線。可以看出，探測器時間響應曲線為均勻鋸齒狀，說明探測器穩定性較高。探測器響應時間在不同條件下有不同的定義，此處根據文獻將光電流從最大電流10%增加到90%的所用時間，定義為響應時間Tr，反之為衰減時間Td[32]。據此可以得出探測器響應時間Tr=4.4 s，衰減時間Td=0.14 s[24]。

圖21 β-Ga2O3 MSM型探測器結構示意圖(a)，器件I-V特征曲線(b)[24]Fig.21 Schematic diagram of the β-Ga2O3 single crystal MSM structure photodetector(a), I-V curve of the photodetector(b)

5.2 β-Ga2O3肖特基二極管及性能優化

圖23a為Pt/β-Ga2O3肖特基二極管(Schottky barrier diode, SBD)及性能優化結構示意圖，器件簡稱為SBD 1#。器件制作使用晶片為機械剝離獲得的(100)面晶片，晶片厚度0.6 mm，有效載流子濃度為2.3×1014cm-3。器件制作時，首先使用BCl3氣體對晶體背面進行刻蝕，以提高晶片表面粗糙度并產生表面缺陷，有利于提高其歐姆接觸性能。然后使用磁控濺射在晶片背面沉積Ti/Au電極，兩者厚度分別為10和230 nm。正面通過光刻技術沉積Pt(20 nm)/Ti(10 nm)/Au(50 nm)電極，電極直徑為100，200和300 μm 3種規格。圖23b為SBD 1#截面高分辨透射電鏡(HRTEM)照片。從圖中可以看出襯底晶格排列整齊，上表面平整，說明襯底結晶質量較高，表面光滑。通過分析晶格間距，確認晶片表面為(100)面[40]。

圖22 β-Ga2O3 MSM型“日盲”探測器光譜響應度曲線(a)，β-Ga2O3 MSM結構器件時間響應(b), 電流上升下降曲線放大(c)[24]Fig.22 Spectroscopic responsivity of the β-Ga2O3 MSM structure photodetector(a), time response of the β-Ga2O3 MSM structure photodetector(b), enlarged of the current rise and decay process (c)[24]

圖23 Pt/β-Ga2O3 SBD結構示意圖(a)，器件截面HRTEM照片(b)[40]Fig.23 Schematic of the Schottky barrier diode with Pt/β-Ga2O3/Ti (a), cross-sectional high resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of the device (b)[40]

圖24為SBD 1#室溫正向J-V曲線，插圖為半對數坐標系下J-V曲線。根據J-V測試結果，通過熱離子發射模型計算[41, 42]對器件性能進行了分析。SBD 1#在室溫下肖特基勢壘高度Φb=1.39 eV，理想因子n=1.1，接近于1，說明肖特基接觸較好。由于晶片載流子濃度較低，并且器件肖特基勢壘較高，導致器件具有較高的開啟電壓Vbi=1.07 V和較大的導通電阻Ron=12.5 mΩ·cm2。器件正向電流密度較小，2 V下的電流密度J@2 V=56 A·cm-2，飽和電流密度Js=2×10-16A·cm-2。器件反向漏電較小，開關比達到1010[40]。

SBD 1#在有效施主濃度約為2.3×1014cm3的晶片上制作，體電阻與歐姆接觸電阻較大，導致器件具有較大的導通電阻。寬禁帶半導體材料具有較高的擊穿場強度，載流子濃度較高時也可以保持較高的耐壓性能。為減小器件導通電阻、優化器件性能，作者課題組使用載流子濃度為2×1017cm-3的Sn摻雜β-Ga2O3襯底片進行了SBD 2#的制作，所用襯底片如圖25所示[43]。

圖24 SBD 1#室溫正向J-V曲線[40]Fig.24 Forward J-V curve of SBD 1# at room temperature[40]

圖25 載流子濃度為2×1017 cm-3的β-Ga2O3單晶襯底片照片[43]Fig.25 β-Ga2O3 single crystal wafers with the donor concentration of 2×1017 cm-3[43]

SBD 2#采用與SBD 1#相似的制作工藝。正面肖特基電極為Au(40nm)/Ti(10 nm)/Pt(30 nm)，電極直徑為150 μm，反面歐姆電極為Ti(20 nm)/Au(40 nm)。圖26為SBD 2#與SBD 1#室溫J-V曲線比較。可以看出，晶片載流子濃度為2×1017cm-3的SBD 2#導通電阻Ron從12.5降低到2.9 mΩ·cm2。2 V下的電流密度從56提高到421 A·cm-2，器件反向恢復時間僅為20 ns。從導通電阻、電流密度、反向恢復時間來看，器件性能已經達到國際先進水平[43, 44]。與此同時，器件反向耐壓性能測試中，200 V未出現擊穿現象。說明生長的β-Ga2O3晶體質量較高，同時說明β-Ga2O3作為超寬禁帶半導體，可以有效平衡器件耐壓與導通電阻之間的矛盾。

圖26 SBD 2#與SBD 1#正反向J-V曲線對比[43]Fig.26 Forward and reverse J-V curves of SBD 2# and SBD 1#[43]

6 結 論

β-Ga2O3作為低成本、超寬禁帶半導體材料，受到了國內外的廣泛關注。作者課題組探索了β-Ga2O3體塊單晶的導模法生長工藝，有效克服了高溫下原料揮發、分解、凝結及晶體開裂的問題，生長獲得了高質量β-Ga2O3單晶。在獲得高質量體塊單晶的基礎上，全面表征了β-Ga2O3晶體的力學、熱學、光學及電學性質，為晶體應用奠定了基礎。研究了β-Ga2O3襯底片的機械剝離及化學機械拋光工藝，獲得了高質量單晶襯底。制作了MSM型“日盲”探測器，器件響應范圍為220～280 nm，探測器對“日盲”波段敏感并具有較高的光譜選擇性。基于單晶襯底，設計了Pt/β-Ga2O3肖特基二極管。通過優化襯底載流子濃度，獲得了耐壓大于200 V，導通電阻僅為2.9 mΩ·cm2的肖特基二極管。上述研究表明，β-Ga2O3有望在高耐壓、低損耗功率器件及深紫外光電器件中發揮重要應用。

7 展 望

β-Ga2O3作為新型超寬禁帶半導體材料，具有物理性能優異、成本低、質量高等優勢，在半導體領域獲得了廣泛關注。但是如何克服晶體生長中的揮發、分解及坩堝腐蝕問題以獲得低成本、高質量的β-Ga2O3單晶，仍具有很大挑戰。導模法將成為制備大尺寸單晶的優選方案，其也在高導電單晶生長方面具有明顯優勢，但是晶體生長工藝相對較為復雜。基于β-Ga2O3的功率器件及紫外探測器發展迅速，性能指標不斷刷新記錄。未來，高耐壓、低損耗β-Ga2O3基功率器件及本征“日盲”探測器將展現出優異性能，并有望實現產業應用。此外，與其它寬禁帶半導體材料類似，p型β-Ga2O3較難獲得。因此，高效p型摻雜及異質結將成為下一步研究的重點。