亞穩相Ga2O3異質外延的研究進展*

汪正鵬，葉建東，郝景剛，張貽俊，況悅，鞏賀賀，任芳芳，顧書林，張榮

(南京大學電子科學與工程學院，南京 210023)

1 引言

半導體功率器件被應用于幾乎每一個電力轉換設備，而相應的功率轉換效率與半導體材料的特性息息相關。目前，商用的功率半導體器件仍然以硅（Si）材料為主，但難以滿足信息、能源和國防領域快速發展的應用需求。與Si材料相比，以氮化鎵（GaN）與碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體具有更大的帶隙寬度、更高的擊穿電場和更高的電子飽和速度等物理性能優勢，因而在高頻率、高轉換效率、高功率、輕量化電力電子器件領域逐步取代Si材料。隨著現代社會的發展，諸多先進的高壓（大于1000 V）、高功率應用場景，如分布式電網系統、高速鐵路、城市軌道交通等，對半導體器件的耐壓特性和導通損耗提出了更高的要求，因此亟需探尋具有更大帶隙寬度、更高Baliga品質因子（BFOM）的半導體材料以滿足應用需求。氧化鎵（Ga2O3）作為一種新興的超寬禁帶半導體材料，其禁帶寬度為4.5～5.6 eV（取決于其晶體結構），BFOM值約為3444，均遠大于GaN和SiC，是下一代大功率電力電子器件的戰略性先進電子材料。Ga2O3具有多晶型特征，其中亞穩相α-Ga2O3具有最大的禁帶寬度和最高的理論擊穿場強，意味著其可實現更高耐壓和更低導通損耗，在超高壓功率供給方面具有廣闊的應用前景；同時，亞穩相ε(κ)-Ga2O3具有高介電常數、強壓電極化和鐵電極化特性，可通過極化工程實現界面二維電子氣（2DEG），并通過外加電場反轉極化方向，實現界面溝道的耗盡與積累狀態的切換，不僅可以實現高頻、高功率器件應用，而且為超低功耗負電容晶體管和存感一體的鐵電晶體管提供了新的材料體系。……