β相氧化镓(β-Ga₂O₃)具有超宽带隙、高击穿电场和容易制备等优势,是功率器件的理想半导体材料。但由于β-Ga₂O₃价带顶能级位置低、能带色散关系平坦,其p型掺杂目前仍具有挑战性,限制了p-n结及双极性晶体管的开发。利用尺寸效应、缺陷调控、非平衡动力学及固溶提升价带顶能级等方案是目前实现β-Ga₂O₃ p型掺杂的主要策略。对于β-Ga₂O₃ p-n同质结和异质结,提高晶体质量、减少界面缺陷态是优化器件性能的关键问题。本文针对β-Ga₂O₃的p型导电问题,系统阐述了β-Ga₂O₃电子结构,实验表征及理论计算掺杂能级方法,p型掺杂困难原因,以及改进p型掺杂的突破性研究进展。最后简单介绍了β-Ga₂O₃ p-n同质结和异质结器件的相关工作。利用复合缺陷调控、非平衡动力学、固溶等方案,以及不同方案的协同实现体相β-Ga₂O₃的p型掺杂仍需要深入探索,p-n同质及异质结的器件性能需要进一步优化。

本文采用自主设计的垂直布里奇曼(VB)炉,通过动态模拟与实验深度耦合迭代优化的方法,建立了生长炉模型,通过优化生长炉的温场得到最佳温场,并根据模拟最佳温场对实际温场进行优化改造,成功生长出直径3英寸(1英寸=2.54 cm)的氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶。进一步加工得到最大尺寸为直径2.5英寸的(100)面β-Ga₂O₃晶圆,并对β-Ga₂O₃晶体的结晶质量和光学性能进行了表征测试。测试结果表明,β-Ga₂O₃晶体具有较高结晶质量,其紫外截止边为257.5 nm,对应光学带隙为4.78 eV,晶体的劳埃衍射斑点清晰、对称,摇摆曲线半峰全宽(FWHM)最小为39.6″。

本文使用直拉法制备了Fe掺杂的大尺寸β相氧化镓(β-Ga₂O₃)单晶,加工制备了高质量的2英寸(1英寸=2.54 cm)(010)衬底,并对衬底的结晶质量、加工质量与电学性质进行了研究。偏光应力仪下的均匀图像表明该衬底无孪晶、裂纹等宏观缺陷,宏观结晶质量良好。该衬底的(020)面X射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)的最大值为29.7″,表明具有良好的微观结晶质量。该衬底的表面平均粗糙度(Ra)的最大值为0.240 nm,局部厚度偏差(LTV)低于1.769 μm,总厚度偏差(TTV)为5.092 μm,翘曲度(Warp)为3.132 μm,表明具有良好的衬底加工质量。此外,该衬底约7×10¹¹ Ω·cm的高电阻率为微波射频器件的开发提供了基础支撑。

超宽禁带半导体β-Ga₂O₃因出色的光电特性而成为研究的焦点。元素掺杂对β-Ga₂O₃光谱性质的影响是材料科学领域的一个重要研究方向,具有显著的研究价值和应用前景。本研究通过光学浮区(OFZ)法,在CO₂环境中成功生长出β-Ga₂O₃∶6%Bi单晶,并着重研究Bi掺杂β-Ga₂O₃单晶的光谱性质。利用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、扫描电子显微镜(SEM)结合能量色散X射线光谱(EDS)、X射线光电子能谱(XPS)以透过光谱和荧光光谱等先进的表征技术,对样品的晶体结构、元素组成及光谱性质进行了较全面的测试与分析。实验结果揭示,由于离子半径差异大,Bi离子较难掺入β-Ga₂O₃晶格,掺入的Bi离子主要替代了GaO₆八面体中的Ga离子位置。与非故意掺杂β-Ga₂O₃相比,Bi掺杂β-Ga₂O₃单晶在红外区域的透射率降低,载流子浓度增加;荧光发射光谱强度降低,荧光衰减时间缩短。这些发现不仅深化了对Bi掺杂β-Ga₂O₃单晶光谱性质的理解,而且为该材料在闪烁和辐射探测等领域的应用提供了技术启示。

为了探究本征缺陷导电特性,本文采用第一性原理计算方法对ε-Ga₂O₃进行计算。首先计算ε-Ga₂O₃的晶格常数、能带间隙、态密度和能带结构,然后计算含有多种本征缺陷的ε-Ga₂O₃的态密度和能带结构,分析了它们的电学性质。计算结果表明:ε-Ga₂O₃为直接带隙半导体,禁带宽度为4.26 eV,光吸收系数峰值在80 nm左右,在450 nm处接近零。在本征缺陷中,不同点位Ga空位缺陷使ε-Ga₂O₃呈现出p型导电特性,不同点位O空位缺陷没有改变ε-Ga₂O₃的导电特性;O取代Ga之后,ε-Ga₂O₃呈现p型导电特性;Ga取代O之后,ε-Ga₂O₃呈现n型导电特性;引入O填隙的ε-Ga₂O₃的导电特性没有变化;Ga填隙时ε-Ga₂O₃呈现n型导电特性。

如何同质外延生长出具有原子级平整的氧化镓(Ga₂O₃)单晶薄膜,是制备高性能Ga₂O₃基功率电子器件或紫外光电器件的基础。本文通过金属有机气相外延(MOVPE)技术综合调控外延生长的热力学条件与动力学参数,在Ga₂O₃衬底上制备了厚度为1.0 μm的器件级Ga₂O₃单晶薄膜(非故意掺杂),对薄膜样品进行了物相、表面形貌、晶体质量和电学性能的研究。该薄膜具有单一β相,呈现出与衬底相同的(100)面择优取向。对Ga₂O₃薄膜表面形貌进行AFM表征,呈现出典型的台阶流形貌,表面粗糙度0.166 nm,且台阶高度0.6 nm (a/2),表明薄膜具有原子级平整。进一步通过HRXRD双晶摇摆曲线评估Ga₂O₃薄膜结晶质量,外延膜的FWHM低于单晶衬底,表明外延在晶格匹配衬底上的Ga₂O₃薄膜质量优于衬底。霍尔效应测试结果表明,Ga₂O₃薄膜的电子迁移率为92.1 cm²/(V·s),载流子浓度为2.65×10¹⁶ cm^-3。本文的研究结果表明只要通过精细化调控温度、压力、Ⅵ/Ⅲ比等关键热力学条件,使核心动力学参数中的横向扩散速率充分大于纵向沉积速率,就有可能在通用的非刻意斜切衬底上实现高长速二维“台阶流”生长。本研究所制备的具有优异晶体质量与电学特性的(100)面同质外延单晶薄膜,在制造高性能Ga₂O₃功率电子器件具有重要的应用潜力。

卤化物气相外延(HVPE)法因生长速度快、掺杂可控等优势主要被用于生长β-Ga₂O₃同质外延片。本文采用垂直结构的HVPE设备进行β-Ga₂O₃厚膜的同质外延,探究了不同生长压力对β-Ga₂O₃的生长速度和外延质量的影响。研究发现,在生长相同厚度β-Ga₂O₃外延膜时,降低生长压力虽然使生长速度有所降低,但更容易获得生长条纹连贯的、高结晶质量的β-Ga₂O₃厚膜。分析了外延膜中非故意掺杂的氮杂质来源,排除了氮气分解的可能性,通过调控Ⅵ/Ⅲ比,即提升氧气分压,能够有效降低β-Ga₂O₃外延膜中的氮杂质浓度,从8×10¹⁶ cm^-3降低至1×10¹⁶ cm^-3。最终,采用优化后的外延工艺,制备出高质量的2英寸(1英寸=2.54 cm)HVPE β-Ga₂O₃外延片,膜厚和载流子浓度分别是15.8 μm和1.5×10¹⁶ cm^-3,两者的不均匀性分别是3.6%和7.6%。

超宽禁带半导体氧化镓(Ga₂O₃)在功率电子和信息传感方面有重要应用,其高效、经济的制备方法是实现产业推广的重要环节。本文报道了一种Sn辅助雾相化学气相沉积(mist CVD)技术,基于这种非真空、低成本方法在c面蓝宝石衬底上成功外延生长了高质量纯相α-Ga₂O₃薄膜。实验通过mist CVD生长温度的调控探索,获得了纯相α-Ga₂O₃薄膜外延生长的温度区间为500~600 ℃。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱(XPS)等方法对纯相α-Ga₂O₃薄膜进行了物相、形貌、光学特征、元素含量和价态表征,结果表明600 ℃生长的α-Ga₂O₃薄膜具有更高的结晶度,更致密和平整的表面形貌。进一步地,通过构建金属-半导体-金属(MSM)结构的光电探测器,研究了α-Ga₂O₃薄膜的深紫外(DUV)光电响应性能。500和600 ℃制备α-Ga₂O₃薄膜,其光暗电流比(PDCR)分别为5.85×10⁵和7.48×10³,外量子效率(EQE)分别为21.8%和520%,响应度分别为0.044和1.09 A/W。在6 V偏压和254 nm光照下,500 ℃生长的α-Ga₂O₃薄膜的响应时间为0.97/0.36 s,600 ℃的样品响应时间却增大为2.89/4.92 s,这主要是Sn辅助生长在α-Ga₂O₃薄膜内形成了施主杂质,影响了载流子的输运效率。

本文研究了利用分子束外延技术生长的非故意掺杂(UID)和锡掺杂的β-Ga₂O₃同质外延薄膜的电子输运性质。薄膜载流子浓度范围为3.2×10¹⁶至2.9×10¹⁹ cm^-3,载流子浓度为3.2×10¹⁶ cm^-3的非故意掺杂薄膜显示出优异的室温迁移率,为125 cm²·V^-1·s^-1,在80 K时的峰值迁移率为875 cm²·V^-1·s^-1,达到了当前MBE生长的Ga₂O₃薄膜的先进水平。利用温度相关霍尔测试表征同质外延薄膜的电子输运性质,计算得到锡掺杂剂的激活能为76.2 meV。通过散射模型的拟合计算,分析了这一系列同质外延薄膜的电子散射性质,在低温到高温过程中,来自本征缺陷的电离杂质散射及晶体中阴阳离子库仑力的极性光学声子(POP)散射限制了迁移率的增长。

采用雾化学气相沉积(Mist-CVD)法在不同晶面蓝宝石衬底上异质外延生长了α-Ga₂O₃薄膜,并利用XRD、SEM和紫外-可见分光光度计(UV-Vis)分析了薄膜样品的物相、光学特性和表面形貌。600 ℃以内,在C、M、A、R面蓝宝石衬底上生长纯相α-Ga₂O₃薄膜的温度窗口分别为420~480、480~550、590~600、540~600 ℃;对应纯相α-Ga₂O₃薄膜的光学带隙分别为5.12、5.23、5.25、5.21 eV。研究发现与C面蓝宝石衬底相比,在M、A、R面蓝宝石衬底上外延α-Ga₂O₃薄膜需要更高的生长温度,同时在M、A、R面蓝宝石衬底上获得的薄膜禁带宽度更大。样品表面形貌的SEM表征结果显示,不同晶面的α-Ga₂O₃薄膜表面形貌差异显著,C面蓝宝石衬底上α-Ga₂O₃薄膜存在“连续薄膜+大尺寸柱状岛”结构。本文关于不同晶面蓝宝石衬底外延α-Ga₂O₃薄膜的研究对α-Ga₂O₃材料的应用有一定参考价值。

氧化镓(β-Ga₂O₃)具有超宽禁带(E_g=4.5~4.9 eV)和高临界击穿场强(E_br=8 MV/cm),器件的Baliga优值理论上可达SiC和GaN基器件的4倍和10倍。然而,氧化镓功率器件的耐压仍远低于理论值,且大功率器件及其热稳定性的研究较少;材料热导率低和缺陷多也导致器件发生电学特性漂移、性能加速退化等可靠性问题。本文首先介绍本团队在氧化镓功率器件新结构方面的研究进展,对研制的样品进行测试分析并研究其电热特性;然后开展了氧化镓金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和异质结场效应晶体管(HJFET)的电热可靠性研究,本团队提出电离陷阱模型和界面偶极子电离模型解释其性能退化机制,此外,提出了一种新的可靠性加固技术,以提高β-Ga₂O₃ HJFET的电热可靠性。结果表明,氧化镓功率器件在高压、低功耗和高可靠性应用方面具有很大潜力。这些研究为氧化镓功率器件设计和优化提供新的思路,有力助推氧化镓功率器件实用化进程。

微弱紫外光的探测在导弹跟踪、火焰警告、安全通信、环境监测和其他关键应用中备受关注。雪崩光电探测器(APD)具有轻便、低功耗、高量子效率和单片集成等优点,是紫外探测领域的重要研究方向。近年来,宽禁带和超宽禁带半导体材料因其禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高、热导率高和化学稳定性好等性能,被视为紫外APD设计的理想材料。从现有报道来看,相比于GaN和SiC材料,Ga₂O₃具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强、更高的巴利加优值和更短的吸收截止边等突出优点,是一类值得关注的新材料。Ga₂O₃基APD以超宽带隙、高击穿电场、可控增益、优异热稳定性等优势,具有高响应度和高内部增益等性能,正在成为该领域的热点。本文综述了Ga₂O₃基APD的研究进展,分别对APD的器件结构、性能、发展历程与研究改进等进行介绍。

氧化镓的低热导率是其功率器件发展的最大瓶颈,使其在高功率密度下产热时面临高效散热的巨大挑战。因此,开发全新的热管理和封装技术迫在眉睫。通过材料、器件和封装多层面的热管理来缓解自热引发的性能与可靠性问题成为关键。本文综述了超宽带隙(UWBG)氧化镓(β-Ga₂O₃)功率器件的热管理,针对相关挑战、潜在解决方案和研究机遇提出了观点。论文首先介绍了超宽带隙氧化镓的特性及其在电子器件领域的重要性,详细阐述了热管理在氧化镓器件中的关键意义。随后,从不同的热管理技术方面,包括衬底相关技术和结侧热管理技术等进行深入探讨,并分析了热管理对氧化镓器件电学性能的影响。最后,对氧化镓器件热管理的未来发展趋势进行展望,提出了“材料-器件-封装”电热协同设计、近结异质集成和新型外部封装等多维度的热管理策略,旨在唤起相关研究,加快超宽带隙氧化镓功率器件的开发和产业化进程。

本文基于Ga₂O₃ MOCVD外延材料,开展了Ga₂O₃场效应晶体管的研制和性能研究。为了降低器件的导通电阻,优化了外延层设计,将掺杂浓度提高至1×10¹⁸ cm^-3以上。通过长沟道器件提取的外延层的电子浓度和场效应迁移率分别为2×10¹⁸ cm^-3和55 cm²/(V·s),相应的沟道方阻为10.3 kΩ/sq。研制的栅漏间距2和16 μm的Ga₂O₃ MOSFET器件的比导通电阻分别为2.3和40.0 mΩ·cm²,对应的击穿电压分别达到458和2 324 V。为了进一步提升器件的击穿电压,采用p型NiO制备栅电极,研制的Ga₂O₃ JFET器件导通电阻显著增大,但击穿电压分别提升至755和3 000 V以上。计算了不同栅漏间距器件的功率优值(P-FOM),发现其随栅漏间距的增加先增大后减小,其中栅漏间距为8 μm的Ga₂O₃ MOSFET器件获得了最高的P-FOM,达到了192 MW/cm²,表明MOCVD外延技术在Ga₂O₃功率器件上具有重要的应用前景。

本文成功制备了β-Ga₂O₃基金属半导体金属(MSM)型日盲紫外光电探测器。在室温下偏压为5 V时,具有高质量外延的器件的响应度达到469.6 mA/W(对应外量子效率(EQE)为229.2%),光暗电流比为5.26×10³。为了研究β-Ga₂O₃基MSM型日盲紫外光电探测器在高温环境下的潜在应用,对该器件在高温下的电流-电压(I-V)和光响应(I-T)特性进行了测试,分析器件在高温下的载流子输运机制。结果表明:在300~375 K时,器件的暗电流主要由低压下的热离子场发射(TFE)和高压下的普尔-弗兰克发射(PFE)主导,由PFE模型拟合的I-V曲线可知,PFE由导带下的0.200 eV附近的缺陷引起;根据光响应特性拟合结果,得到上升时间拟合活化能为0.280 eV,下降时间拟合活化能为0.036 eV。由分析结果可知,光电流的输运过程如下:光生电子首先被导带下0.200~0.280 eV附近的缺陷能级捕获并通过PFE发射进入到导带产生光电流。光生载流子的复合过程为:光电子更倾向于被导带下的0.036 eV附近的缺陷能级捕获,进而与价带中的光生空穴复合。

本文采用脉冲激光沉积(PLD)技术,在m面蓝宝石衬底上外延生长了高质量亚稳态α相氧化镓(α-Ga₂O₃)薄膜,结合X射线衍射和扫描电子显微镜等表征手段,研究了不同生长温度和不同氧分压对薄膜形貌及结晶性的影响。基于优化条件下生长的异质外延α-Ga₂O₃薄膜,制备了金属-半导体-金属(MSM)结构的日盲紫外光电探测器。由于薄膜较好的结晶质量和较少的缺陷,该探测器在254 nm日盲紫外光照射下表现出良好的光电响应,5 V偏压下具有10^-6 A的光电流及10^-10 A的暗电流,光暗电流比可达10⁴,最大响应度达到36.7 A/W,最大外量子效率为1.79×10⁴%,最大探测率为2.45×10¹⁴ Jones。

由于缺乏p型氧化镓(Ga₂O₃),p型氧化镍(p-NiO_x)通常被用于Ga₂O₃肖特基势垒二极管(SBD)中,这类二极管一般采用结终端延伸(JTE)或异质结势垒肖特基(HJBS)结构。然而,NiO_x对器件性能的影响尚未被充分研究。在本研究中,通过Sentaurus TCAD对JTE和HJBS结构中的NiO_x影响进行了研究,并提出了一种结合NiO_x/Ga₂O₃ HJBS和NiO_x JTE的新型Ga₂O₃肖特基二极管。在JTE结构中,击穿电压(BV)与NiO_x掺杂浓度呈正相关,与NiO_x倾斜角度呈负相关。在HJBS结构中,BV随NiO_x场环(FR)的宽度和深度增加而提高,但随着FR与阳极边缘之间的间距增加而降低。新型复合器件的参数确定为10°倾斜角和3×10¹⁹ cm^-3掺杂浓度的NiO_x JTE,以及5 μm宽、1.5 μm深和1 μm间距的NiO_x HJBS环。实现了4.52 kV的BV、5.68 mΩ·cm²的比导通电阻(R_on,sp)和3.57 GW/cm²的功率优值(PFOM),相比其他实验报道的数据,BV提升了113%,PFOM提升了132%。本研究为利用NiO_x JTE和HJBS结构的垂直Ga₂O₃ SBD设计提供了一种有效提升BV和PFOM性能的方法。

作为新一代宽禁带半导体,氧化镓因具有更大的禁带宽度(4.4~4.8 eV)和更高的击穿场强(8 MV/cm),成为制备耐高压、高频、高功率电力电子器件的最佳候选材料。然而,氧化镓肖特基二极管具有终端电场边缘集中效应,导致器件因提前击穿而失效,从而限制了氧化镓的应用。本文通过将可以缓解电场边缘集中效应的高阻区和抑制反向漏电的电子势垒层相结合,设计了一种新型复合终端。仿真结果表明:引入高阻区终端结构的器件电极边缘附近的峰值电场从3.650 MV/cm下降到0.246 MV/cm,可以有效缓解电极电场边缘集中效应。当高阻区Mg离子注入浓度为10¹⁹ cm^-3时,击穿电压从725 V提高到2 115 V,巴利加优值从0.060 GW/cm²增加到0.247 GW/cm²,临界击穿场强从3.650 MV/cm提升到5.500 MV/cm,提高了50.7%;与此同时,电子势垒层AlN的引入使器件反向漏电流大幅降低,反向击穿电压提升至2 690 V。该新型复合终端结构不仅可以有效抑制器件的反向漏电流,同时可以有效提升器件的反向击穿电压。本研究为耐高压、低反向漏电流氧化镓肖特基二极管的研制提供了理论基础。

采用一种基于布里奇曼晶体生长方法的晶体自动控制方法,生长了Eu³⁺掺杂浓度分别为250×10^-6、1 000×10^-6和2 500×10^-6的Eu³⁺∶CaF₂激光晶体,其毛坯尺寸均可达到ø210 mm×80 mm,是目前该领域报道的尺寸最大的Eu³⁺∶CaF₂激光晶体。