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超宽禁带半导体氧化镓材料与器件专刊

发布时间:2019-04-30 12:33 来源:未知 编辑:admin

  氧化镓(Ga2O3)作为继GaN和SiC之后的下一代超宽禁带半导体材料,其禁带宽度约为4.8 eV,理论击穿场强为8 MV/cm,被广泛应用于高性能电源开关、射频放大器、日盲探测器、恶劣环境信号处理方面。近年来随着氧化镓晶体生长技术的突破性进展,氧化镓材料及器件的研究与应用成为国际上超宽禁带半导体领域的研究热点。

  针对该热点领域,《半导体学报》组织了一期“超宽禁带半导体氧化镓材料与器件”专刊,并邀请山东大学陶绪堂教授、南京大学叶建东教授、中国科学技术大学龙世兵教授和山东大学贾志泰副教授共同担任特约编辑。

  该专刊包括5篇综述和6篇研究论文,介绍了Ga2O3晶体和外延薄膜生长、缺陷研究、器件设计与加工等方面的最新进展。

  氧化镓是一种带隙非常大(~4.8 eV)的半导体材料,在紫外探测和电力电子器件等领域具有广阔的应用前景。相较于其他宽禁带半导体材料,氧化镓最突出的特征是通过熔体法可以制备低成本、大面积的单晶-Ga2O3衬底。日本、美国、欧盟等发达国家正在大力发展超宽带Ga2O3半导体材料。国内科学家也积极开展Ga2O3材料及其工业应用的相关研究。

  中国科学院上海光学精密机械研究所的夏长泰研究员与埃及苏哈格大学的Mohamed博士详细总结并分析了-Ga2O3单晶的生长方法、掺杂及应用;指出目前研究存在的一些障碍,包括低成本大尺寸单晶的生长、结构缺陷、p型掺杂、器件热稳定性等问题。

  氧化镓(Ga2O3)作为一种新型超宽禁带半导体材料得到了广泛关注,引发了一场对氧化镓功率器件的研究热潮,并日益成为国家间的竞争热点,美国和日本已经投入了大量的人力、物力和财力开展相关研究,日本公司Flosfia专门推行氧化镓功率器件产品的商业化,IEDM在2018年开始在功率器件板块收录Ga2O3文章,由此可见Ga2O3功率器件的巨大应用潜力。

  中国科学技术大学龙世兵教授详细介绍了氧化镓的材料优势和场效应晶体管方面的研究进展。氧化镓的性能优势主要是超宽的禁带宽度(~4.8 eV)、超高的理论击穿场强(8 MV/cm)、可调控的掺杂浓度(10161020cm-3),而熔体法制备高质量大面积的氧化镓单晶可以大大降低生产成本。大量研究关注场效应晶体管。器件类型包括MESFET、MOSFET、TFT,器件结构包括:场板结构、栅槽结构、鳍型结构,常开和常关器件均已实现,平面结构和垂直结构都得到初步探索。尽管氧化镓基MOSFET研究仍处于早期阶段,但实现了3.8 MV/cm的击穿场强,超过SiC和GaN的理论值。

  总之,本综述有助于了解氧化镓从材料到器件的概况,从而把握研究发展方向、开展相关研究。

  氧化镓(-Ga2O3)作为继GaN和SiC之后的下一代超宽禁带半导体材料,其禁带宽度约为4.8 eV,理论击穿场强为8 MV/cm,电子迁移率为300cm2/Vs,因此-Ga2O3具有4倍于GaN,10倍于SiC以及3444倍于Si的Baliga技术指标。同时通过熔体法(生长蓝宝石衬底的方法)可以获得低缺陷密度(103104cm-2)的大尺寸-Ga2O3衬底,使得-Ga2O3器件的成本相比于GaN以及SiC器件更低。随着高铁、电动汽车以及高压电网输电系统的快速发展,全世界急切的需要具有更高转换效率的高压大功率电子电力器件。-Ga2O3功率器件在与GaN和SiC相同的耐压情况下,导通电阻更低、功耗更小、更耐高温、能够极大地节约上述高压器件工作时的电能损失,因此Ga2O3提供了一种更高效更节能的选择。

  氧化镓器件除日本推出的-Ga2O3二极管产品以外,其他Ga2O3器件仍然处在实验室阶段。

  西安电子科技大学微电子学院周弘副教授总结了目前氧化镓半导体功率器件的发展状况。着重介绍了目前大尺寸衬底制备、高质量外延层生长、高性能二极管以及场效应晶体管的研制进展。同时对氧化镓低热导率特性的规避提供了可选择的方案,对氧化镓未来发展前景进行了展望。

  4.-Ga2O3单晶的缺陷、缺陷形成机理及其对器件性能的影响

  -Ga2O3晶体是一种新型的第四代直接带隙超宽禁带半导体,相比于第三代半导体,它具有禁带宽度更大、吸收截止边更短、生长成本更低等突出优点,成为超高压功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一。

  山东大学晶体材料研究所贾志泰副教授总结了-Ga2O3单晶中目前已发现的缺陷类型,包括位错、空洞、孪晶和由机械应力引入的小缺陷。然后,详细总结了缺陷对器件性能的影响,其中位错及其周围区域会在单晶衬底中产生漏电通道;并不是所有的空洞缺陷都会导致漏电;掺杂离子不会对漏电产生任何影响;目前还不能明确小缺陷对器件电学性能的影响。最后,讨论了缺陷形成机制,发现大多数的小缺陷是由机械应力引入的;空洞缺陷可能由过多氧空位的有序堆叠、微小气泡的渗入或者局部回熔造成;螺型位错来源于亚晶界,韧性位错可能来源于(101)滑移面;孪晶主要在晶体生长初期“放肩”阶段产生。

  同熔体法生长获得的-Ga2O3体块单晶:(a)导模法;(b)垂直布里奇曼法;(c)提拉法;(d)光浮区法

  氧化镓是近年来倍受关注的新型超宽禁带半导体材料,相比氮化镓和碳化硅,超宽带隙(~4.8 eV)和高达8 MV/cm的击穿电场强度,使其在电力电子器件等诸多领域有着重要的应用价值。尽管氧化镓单晶可以使用熔体法制备,但仍存在成本高、大尺寸易碎裂等缺点。卤化物气相外延作为半导体工业中广泛应用的非有机气相外延技术,具有很高的生长速率,也可以用于大尺寸氧化镓衬底和器件的制备。

  南京大学电子科学与工程学院修向前教授详细介绍了卤化物气相外延在氧化镓材料制备及器件应用方面取得的最新进展,通过卤化物气相外延可以实现大尺寸氧化镓衬底材料和同质外延,并用于功率电子器件如SBD等的制备。

  可以预期,卤化物气相外延将发展成为通用型生长技术,用于大尺寸低成本宽禁带/超宽禁带半导体如氮化镓和氧化镓的外延及相应的新型结构器件。

  6.高掺杂单晶衬底上-Ga2O3肖特基势垒二极管的温度相关的电学性能

  -Ga2O3因带隙宽,击穿电场高,可实现具有成本效益的单晶衬底,在各种光电和电子领域已获得广泛关注。在智能电网、可再生能源、大数据中心电源、汽车电子等领域具有良好的应用前景。然而,关于高掺杂单晶衬底上的-Ga2O3肖特基势垒二极管(SBD)的报道非常少,这些SBD的温度相关性能的机制尚不清楚。

  亚利桑那州立大学计算机与能源工程学院赵玉吉教授详细研究了高掺杂(~3 × 1018cm3)单晶衬底上的-Ga2O3SBDs的温度相关的电学性能,介绍了一种修正的具有电压相关势垒高度的非均匀势垒热离子发射模型,对漏电流随距离的变化进行了定量研究。

  这些结果代表了高掺杂衬底上的-Ga2O3器件的研究进展,有利于低损耗-Ga2O3电子、光电子器件的未来发展。

  单斜结构的-Ga2O3是一种直接带隙的宽禁带氧化物半导体材料,其禁带宽度约为4.84.9 eV,击穿电场约为 8 MV/cm。其巴利加优值因子(Eb3)仅次于金刚石,成为功率半导体器件研制的重要候选材料之一,在高频、高温、大功率等电子器件方面有广阔的应用前景。同时,Ga2O3本征单晶衬底材料可采用熔体生长技术实现,相比于SiC和GaN衬底,更容易实现大尺寸单晶衬底制备,具有低成本优势。

  北京大学物理学院王新强教授主要利用PREVAC-MBE分子束外延系统在蓝宝石衬底上异质外延制备Ga2O3薄膜。通过RHEED和XRD测量,证实了外延关系是[010] (201) -Ga2O3 [0110] (0001)Al2O3。通过优化生长条件,提高了-Ga2O3薄膜的结晶质量,并总结了简单的生长相图。与GaN薄膜的富金属生长模式不同,-Ga2O3薄膜的生长不需要在富金属条件下生长,在较高的Ga束流下,多余的Ga原子会和O原子形成气态Ga2O,然后从表面解吸,导致生长速率变小。综合考虑生长速率、晶体质量和表面平整度几个因素,最终得到优化后的薄膜(201)XRD半高宽减小为0.68,表面粗糙度是2.04 nm(3 m × 3 m)。另外CL测试分析表明,-Ga2O3薄膜在417 nm附近表现出较强的与缺陷有关的发光,推测可能是来源于施主-受体对(DAP)的复合发光。

  超宽禁带-Ga2O3薄膜的MBE外延制备和优化,为实现之后在非故意掺杂的衬底上外延n型载流子浓度大范围精确可控的Ga2O3薄膜和实现Ga2O3基电子器件奠定基础。

  氧化镓(Ga2O3)具有超宽的禁带宽度和超高的临界击穿场强的优势,是下一代高能效电力电子器件的理想材料。Ga2O3功率器件与GaN和SiC器件相同耐压情况下,导通电阻更低,功耗更小,能够极大地节省器件工作时的电能损失。同时氧化镓可以熔体生长技术实现,具有低成本优势。氧化镓功率器件主要分为金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和肖特基二极管(SBD)两种。国外从2012年左右就开始氧化镓功率器件的研究,并取得了不错的研究结果。而国内在氧化镓功率器件,尤其是MOSFET器件方面的研究还比较薄弱。

  中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室吕元杰团队首次将源场板结构引入Ga2O3MOSFET器件,实现了击穿电压的显著提升,击穿电压最高达到550 V;同时采用高介电常数的HfO2材料作为栅下介质,有效地降低了器件漏电特性,开关比达到109。本文填补了国内在Ga2O3MOSFET器件方面的空白,同时器件特性是国内报道的最高结果。

  后续通过优化源场板结构、采用多场板结构有望能继续提升Ga2O3MOSFET器件的耐压特性。

  9.蓝宝石(0001)衬底上超声雾化输运辅助化学气相沉积方法同质外延厚-Ga2O3薄膜

  作为一种宽禁带半导体,氧化镓(Ga2O3)具有比SiC、GaN更为优越的物理特性,成为近年来新型功率半导体材料与器件领域的研究热点。研究发现,亚稳态-Ga2O3比-Ga2O3在禁带宽度、电子有效质量、临界击穿场强和Baliga品质因子等重要性质上更胜一筹,意味着更适合于发展高性能、低功耗和低成本功率电子器件。更为重要的是,-Ga2O3和-Al2O3晶体结构相同,可通过异质外延获得高质量单晶薄膜,并可解决基于-Ga2O3单晶衬底热导系数小导致功率器件散热性差的严重问题。

  基于此,南京大学电子科学与工程学院叶建东教授采用低成本的超声雾化输运辅助化学气相沉积(MIST-CVD)方法在蓝宝石(0001)衬底上获得了8 m厚的无龟裂-Ga2O3单晶薄膜,其螺旋位错和刃位错的位错密度分别为2.24 × 106和1.63 × 109cm-2,表明材料具有很高的单晶晶体质量。研究同时发现,-Ga2O3具有典型的间接带隙特征,其光学禁带宽度为5.03 eV。

  后续通过可控掺杂、物相调控、应变工程、能带剪裁和界面设计等关键技术的实现,可充分挖掘-Ga2O3材料在功率器件研制方面更为优越的物理特性,这为解决耐高压和低损耗难以兼顾的问题提供了新思路和新途径。

  低阻欧姆接触对高性能-Ga2O3基器件是非常重要的,例如-Ga2O3基功率器件和日盲紫外探测器。许多研究小组通过离子注入和半导体插入层的方法获得了低阻的-Ga2O3欧姆接触,但是对欧姆接触中电流流动机制的研究几乎没有。了解欧姆接触中电流流动机制有助于器件性能的提升。

  大连理工大学微电子学院梁红伟教授采用Mg/Au在轻掺杂的-Ga2O3制备了良好的欧姆接触,根据比接触电阻与温度的关系和参数确定电流流动机制为热电子发射占主导,这不同于传统的通过电子遂穿来获得欧姆接触。这有助于我们了解轻掺杂-Ga2O3欧姆接触的电流传输机理并提高-Ga2O3基器件的性能。

  11.具有NH3等离子体原位预处理的离子体增强原子层沉积法生长氧化镓薄膜

  在器件工艺过程中,GaN基外延片不可避免暴露大气环境,形成表面氧化层、以及C、H等杂质沾污,使得半导体表面本征性质发生明显改变,且难以得到有效的控制。在GaN基材料与器件方面,缺陷或陷阱俘获中心一直是研究的难题。通过界面钝化来降低界面态就成为首选的技术路线是一种具有宽禁带、高介电常数、耐高击穿电压的氧化物半导体和介质材料,在半导体器件的钝化方面中有广泛的应用。

  原子层沉积是一种非常合适于生长超薄钝化层材料的技术,其自限制性能够对薄膜的成分及厚度有精确的控制,可得到均匀致密的薄膜。但原子层沉积技术由于其生长速率较慢,外延薄膜的结晶质量差问题也是科研人员的关注点。

  基于此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所丁孙安研究员提出了一种提高外延Ga2O3薄膜沉积速率的方法,即NH3等离子体原位预处理GaN,继而沉积Ga2O3薄膜。研究发现,经NH3等离子体处理后,Ga2O3薄膜的表面形貌和化学计量比并改变,仅Ga2O3薄膜厚度增加,沉积速率显著提高。这一现象归因于NH3等离子体对GaN表面态的修饰作用,NH3预处理增加了GaN表面的羟基活性吸附点,导致薄膜沉积速率的增加。但NH3等离子体对GaN表面的作用可能引入缺陷会影响Ga2O3薄膜的结晶质量。

  在不损伤GaN表面的前提下,外延高质量的Ga2O3薄膜,对实现Ga2O3/GaN界面的钝化具有重要意义。

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