王新月，張勝男，霍曉青，周金杰，王 健，程紅娟

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所，天津 300220； 2.中國電子科技集團(tuán)公司新型半導(dǎo)體晶體材料技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300220)

0 引 言

氧化鎵(Ga2O3)的歷史始于1875年，Bolisbaudran發(fā)現(xiàn)了新元素鎵(Ga)及其化合物[1]。1952年，Roy等[2]首次實(shí)現(xiàn)了Al2O3-Ga2O3-H2O的相平衡系統(tǒng)，確定了Ga2O3的多相結(jié)構(gòu)并提出了這些相之間轉(zhuǎn)變的方式。Ga2O3共有五種晶相：α相(剛玉結(jié)構(gòu))、β相(單斜晶系)、γ相(類尖晶石)、δ相(斜方晶系)、ε相(六方或斜方)，在這五種相當(dāng)中，β-Ga2O3是最穩(wěn)定的。β-Ga2O3的熔點(diǎn)為1 820 ℃，其粉末呈白色三角形結(jié)晶顆粒，密度5.95 g/cm3，不溶于水[3]。早期氧化鎵的研究主要關(guān)注其結(jié)構(gòu)、相變等性質(zhì)，相關(guān)應(yīng)用和研究熱點(diǎn)集中在催化、氣敏傳感器、熒光、電致發(fā)光等領(lǐng)域[4]。隨著單晶及薄膜生長(zhǎng)技術(shù)的成熟[5-6]，β-Ga2O3逐漸被應(yīng)用于新的場(chǎng)景[7]。

1 前期探索

1.1 單晶生長(zhǎng)

關(guān)于提拉法(Czochralski method, Cz)成功生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶的首篇研究報(bào)道發(fā)表于2000年[8]，由德國柏林哈恩-邁特納研究所的Tomm、德國萊布尼茲晶體研究院(Leibniz-Institut für Kristallzüchtung, IKZ)的Reiche與Klimm，以及日本東北大學(xué)Fukuda共同發(fā)表。目前，β-Ga2O3單晶生長(zhǎng)的相關(guān)研究主要集中在德國和日本。

圖1 非故意摻雜的淡藍(lán)色透明的β-Ga2O3單晶[8]Fig.1 Undoped β-Ga2O3 crystal, internal clear, original color is bluish[8]

提拉法需要一個(gè)加熱用的銥(Ir)坩堝，晶體生長(zhǎng)氣氛為O2和CO2，目的是優(yōu)化氧分壓，抑制揮發(fā)，從而減少缺陷的產(chǎn)生。但提拉法容易引入Ir、Fe、Si等雜質(zhì)，甚至引起Ga空位的出現(xiàn)。Tomm等[8]在晶體生長(zhǎng)過程中通過調(diào)節(jié)生長(zhǎng)氣氛為90%Ar+10%CO2，使得各組分配比達(dá)到平衡，在一定程度上抑制了原料的揮發(fā)，并生長(zhǎng)出了直徑約1 cm，帶有淡藍(lán)色且透亮的螺旋形晶體，如圖1所示。

2001年，Tomm與Fukuda等[9]又首次用浮區(qū)法(floating zone technique, FZ)生長(zhǎng)了β-Ga2O3單晶。同年， Fukuda與Villora合作繼續(xù)用FZ法生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶。β-Ga2O3單晶在當(dāng)時(shí)主要被用作透明導(dǎo)電氧化物[10]，之后兩年間，日本東北大學(xué)的Villora逐步對(duì)β-Ga2O3的陰極發(fā)光[11]、紅外反射[12]、電導(dǎo)率[12]、微觀結(jié)構(gòu)[13]、熒光光譜[14]、電輸運(yùn)機(jī)制[15]等物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。

圖2 浮區(qū)法制備的沿(a)<100>、(b)<010>、(c)<001>晶向的氧化鎵晶體；(d)加工得到的直徑1英寸晶圓[16]Fig.2 As-grown Ga2O3 crystals along the crystallographic axis (a) <100>, (b) <010> and (c) <001> obtained by the FZ method; (d) cut and polished wafers of 1 inch in diameter[16]

2004年， Villora加入早稻田大學(xué)，利用FZ法生長(zhǎng)得到了<100>、<010>、<001>三個(gè)晶向的β-Ga2O3單晶，并加工出1英寸(1英寸=2.54 cm)的單晶片，如圖2所示，浮區(qū)法不需要坩堝和模具，生長(zhǎng)得到的晶體較純凈[16]。

2006年，早稻田大學(xué)Shimamura與Villora等嘗試用導(dǎo)模法(edge-defined film-fed growth, EFG)生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶，但只得到了開裂的晶體[17]。導(dǎo)模法與提拉法不同的是，它需要在坩堝中放入一個(gè)有縫的模具，如圖3(c)所示，熔化的氧化鎵熔體在毛細(xì)作用的推動(dòng)下，沿著細(xì)縫上升到模具表面，而后冷卻結(jié)晶，晶體外形由模具形狀決定。日本精密寶石株式會(huì)社(Namiki)是專門從事晶體生長(zhǎng)的公司，在看到β-Ga2O3可以用EFG法生長(zhǎng)的可能后，通過縮頸等工藝在2008年得到了2英寸大小且外形完整的單晶，如圖3(a)、3(b)所示，證明了EFG法在生長(zhǎng)大尺寸β-Ga2O3單晶方面的優(yōu)越性[18]。

圖3 導(dǎo)模法生長(zhǎng)的(a)單晶、(b)多晶β-Ga2O3晶體；(c)導(dǎo)模法加熱爐示意圖[18]Fig.3 As-grown β-Ga2O3 bulk cryctal: (a) single-crystalline and (b) polycrystalline obtained by the EFG method; (c) schematic diagram of furnace for EFG process[18]

1.2 薄膜外延

前期，受限于氧化鎵單晶襯底尺寸、質(zhì)量、電學(xué)性能等因素，關(guān)于外延方面的研究主要集中在異質(zhì)外延，為數(shù)不多的同質(zhì)外延也是基于(100)面襯底，這是因?yàn)?100)面最穩(wěn)定，且是最強(qiáng)解理面，相對(duì)容易獲得。

同年，Oshima等利用MBE制備了高質(zhì)量的β-Ga2O3同質(zhì)外延薄膜[24]，結(jié)果表明襯底表面的臺(tái)階流有利于(100)取向薄膜的外延生長(zhǎng)，銳利的襯底臺(tái)階引導(dǎo)薄膜均一化生長(zhǎng)，使其具有平整的形貌。高質(zhì)量同質(zhì)外延薄膜的成功生長(zhǎng)，為未來β-Ga2O3器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。Oshima等在2008—2009年間相繼發(fā)表了β-Ga2O3外延相關(guān)的系列報(bào)道，例如(InxGa1-x)2O3合金薄膜[25]、β-Al2xGa2-2xO3薄膜的生長(zhǎng)等[26]。

基于以上研究結(jié)果，京都大學(xué)Fujita教授于2011年成立了“FLOSFIA”企業(yè)，該企業(yè)人員開發(fā)了一種新型的制備方法“mist epitaxy(噴霧干燥法)”，屬于化學(xué)氣相沉積工藝的一種，它將Ga2O3層沉積到藍(lán)寶石襯底上，以極低成本制造出了高性能的器件。

1.3 早期應(yīng)用

β-Ga2O3的早期應(yīng)用主要利用β-Ga2O3的晶體結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性。隨著β-Ga2O3單晶襯底的成功制備，日本早稻田大學(xué)的Villora與Shimamura等開始嘗試在β-Ga2O3單晶上外延GaN。2005年，研究人員利用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition, MOVPE)方法首次在(100)取向的β-Ga2O3單晶襯底上外延生長(zhǎng)了c面的GaN，如圖5(a)所示，并構(gòu)建了發(fā)光二極管(light emitting diode, LED)器件，垂直電流注入后，LED成功發(fā)出藍(lán)光，如圖5(b)所示，表明β-Ga2O3可以作為GaN基發(fā)光器件的新襯底[27]。2007年，Villora等[28]對(duì)GaN/β-Ga2O3異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，詳細(xì)描述了GaN與β-Ga2O3單晶襯底的外延關(guān)系，結(jié)合透射電鏡的結(jié)果，研究人員認(rèn)為c面GaN在表面經(jīng)過有效氮化的(100)取向的β-Ga2O3襯底上可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)同質(zhì)外延，GaN在界面處受到一個(gè)沿b軸的壓應(yīng)力，同時(shí)伴隨一個(gè)沿c軸的拉應(yīng)力，面內(nèi)晶格失配度僅為2.6%。

圖4 (a)1 100 ℃下退火6 h后的(100)取向的β-Ga2O3薄膜的表面形貌；(b)圖(a)中畫線區(qū)域的垂直高度剖面圖； (c)減平的高度分布剖面圖[23]Fig.4 (a) AFM image showing β-Ga2O3 surface after annealing at 1 100 ℃ for 6 h; (b) vertical height profile taken along the line indicated in the image of (a); (c) height distribution profile of (a) after rotating the terrace gradient horizontally[23]

圖5 (a)GaN外延層的XRD結(jié)果；(b)LED器件在垂直電流注入β-Ga2O3襯底后發(fā)出藍(lán)光[27]Fig.5 (a) XRD pattern of the GaN epi-layer; (b) blue emission from the LED with vertical current injection through the β-Ga2O3 conductive substrate[27]

在2008—2009年間，日本京都大學(xué)的Oshima等[29]，在藍(lán)寶石襯底上外延生長(zhǎng)了β-Ga2O3單晶薄膜，并測(cè)量了異質(zhì)結(jié)的深紫外吸收譜，利用這一特性，研究人員制備了日盲深紫外光電探測(cè)器，器件測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可知β-Ga2O3在260 nm波長(zhǎng)處有明顯的吸收。在此階段的研究中，β-Ga2O3并未在功率器件領(lǐng)域得到應(yīng)用，大多數(shù)研究仍集中在LED基板(外延GaN)、深紫外光電探測(cè)等領(lǐng)域[30]。

圖6 反向偏壓為10 V時(shí)光電探測(cè)器的光電流光譜響應(yīng)(a)和光響應(yīng)性(b)；虛線表示在沒有載流子倍增的 情況下預(yù)期的光響應(yīng)性[29]Fig.6 Photocurrent spectral response (a) and photoresponsivity (b) of the photodetector at reverse bias of 10 V; dashed line indicates the photoresponsivities expected in the case without carrier multiplication[29]

2 功率器件

2012年，β-Ga2O3被應(yīng)用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，這是氧化鎵在功率器件領(lǐng)域的初次嘗試，良好的器件結(jié)果表明β-Ga2O3在該領(lǐng)域的巨大潛力，但當(dāng)時(shí)同質(zhì)外延片是在浮區(qū)法生長(zhǎng)的單晶上利用分子束外延法得到的，尺寸小且外延速率慢，遠(yuǎn)不能達(dá)到工業(yè)化的水平，故而激發(fā)了單晶及外延技術(shù)的發(fā)展，日本Novel Crystal Technology公司成熟地利用導(dǎo)模法配合鹵化物氣相外延技術(shù)以生產(chǎn)氧化鎵同質(zhì)外延片，襯底的大量供應(yīng)引起了世界各地的器件研發(fā)熱潮。

2.1 器件問世

經(jīng)過十余年單晶生長(zhǎng)及薄膜外延的技術(shù)積累后，2012年，日本信息通信研究機(jī)構(gòu)(National Institute of Information and Communications Technology, NICT)的Higashiwaki Masataka首次證明β-Ga2O3在功率器件領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值，他在FZ法生長(zhǎng)的Mg摻雜(010)取向的β-Ga2O3單晶襯底上，用MBE外延了Sn-Ga2O3的n型薄膜，構(gòu)建了金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-semiconductor field-effect transistors, MESFET)，如圖7所示，器件截止?fàn)顟B(tài)(off state)下的擊穿電壓超過250 V，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)104的開關(guān)電流比以及極小的柵極漏電流，這表明，β-Ga2O3在未來的高功率高電壓器件領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力[31]。該工作的報(bào)道激起了β-Ga2O3的研發(fā)熱潮。

同年，NICT的Sasaki等利用MBE技術(shù)制備了高質(zhì)量的β-Ga2O3同質(zhì)外延薄膜，研究了外延薄膜生長(zhǎng)速率與襯底取向的關(guān)系，如圖8(a)所示，襯底表面與(100)面的夾角越大，薄膜的生長(zhǎng)速率越快，例如:(100)面的生長(zhǎng)速率約為10 nm/h，而(010)和(310)面的生長(zhǎng)速率達(dá)到125 nm/h，這是因?yàn)?100)面的附著能顯著低于其他面，所以(100)面的再蒸發(fā)速率高于其他面。從實(shí)際生產(chǎn)的角度來看，薄膜生長(zhǎng)速率越快越好，因此襯底通常選擇(010)或(001)面。此外，研究人員構(gòu)建了肖特基勢(shì)壘二極管(Schottky barrier diode, SBD)器件[32]，如圖8(b)所示，這是β-Ga2O3同質(zhì)外延層在SBD器件中的首次應(yīng)用，器件外延層厚度為1.4 μm，器件的反向擊穿電壓超過了100 V，導(dǎo)通電阻為2 mΩ·cm2。

2.2 同質(zhì)外延

2.2.1 諾維晶科(NCT)

圖7 (a)禁帶寬度與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系；(b)主要半導(dǎo)體和β-Ga2O3理論極限上的導(dǎo)通電阻與擊穿場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系； (c) β-Ga2O3 MESFET器件示意圖；(d)器件直流輸出特性曲線[31]Fig.7 (a) Bandgap dependences of the breakdown field; (b) theoretical limits of on-resistances as a function of breakdown voltage for major semiconductors and β-Ga2O3; (c) cross-sectional schematic illustration of β-Ga2O3 MESFET; (d) DC output characteristics of β-Ga2O3 MESFET[31]

圖8 (a) β-Ga2O3襯底表面取向與同質(zhì)外延速率的關(guān)系，橫坐標(biāo)為襯底表面與(100)面夾角的大??；(b) SBD的I-V測(cè)量 曲線，插圖為器件的結(jié)構(gòu)示意圖[32]Fig.8 (a) Relationship between surface orientation of β-Ga2O3 substrate and homoepitaxial growth rate, the horizontal axis is the angle between the substrate surface and (100) plane; (b) I-V characteristics of SBD, the inset shows the schematic structure of the β-Ga2O3 SBD[32]

2014年前后，東京農(nóng)工的Kazushiro Nomura和Hisashi Murakami等發(fā)表了關(guān)于鹵化物氣相外延(halide vapor phase epitaxy, HVPE)法生長(zhǎng)高質(zhì)量β-Ga2O3同質(zhì)外延薄膜的文章[38-39]，研究人員用EFG法生長(zhǎng)得到的(001)面的單晶襯底，基于熱動(dòng)力學(xué)分析，調(diào)整生長(zhǎng)氣壓，首次獲得大尺寸高質(zhì)量的外延薄膜，生長(zhǎng)速率約為5 μm/h，薄膜形貌如圖10所示。這一工作真正開啟了氧化鎵在功率器件領(lǐng)域應(yīng)用的大門。

圖9 田村制作所β-Ga2O3晶圓研發(fā)進(jìn)度[33-37]Fig.9 Research progress of β-Ga2O3 wafer in the Tamura[33-37]

圖10 利用HVPE法在(001)取向的β-Ga2O3襯底上生長(zhǎng)薄膜的上表面顯微鏡照片，生長(zhǎng)溫度分別為(a) 800 ℃，(b) 1 000 ℃[38-39]Fig.10 Microscopy images of β-Ga2O3 surfaces after HVPE growth on (001) β-Ga2O3 substrates at (a) 800 ℃, (b) 1 000 ℃[38-39]

2012—2015年間，β-Ga2O3大尺寸晶圓提高到了4英寸，HVPE技術(shù)已經(jīng)可以很好地應(yīng)用于β-Ga2O3同質(zhì)外延中，在此基礎(chǔ)上，NICT和田村制作所于2015年6月合作成立了風(fēng)險(xiǎn)投資企業(yè)“諾維晶科”，該公司成為目前氧化鎵單晶及同質(zhì)外延片的主要供應(yīng)商。

2.2.2 德國萊布尼茲晶體生長(zhǎng)研究所(IKZ)

前文提到，IKZ的Klimm在2000年曾與Tomm Yvonne合作發(fā)表過Cz法生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶的文章，之后的很長(zhǎng)時(shí)間趨于沉寂。直到2010年，Zbigniew Galazka與Klimm合作發(fā)表了Cz法生長(zhǎng)β-Ga2O3單晶的文章，在不損傷銥坩堝的條件下調(diào)整生長(zhǎng)氣氛，得出了CO2可以有效抑制β-Ga2O3原料揮發(fā)的結(jié)論[40]。

2014年，Zbigniew Galazka等利用Cz法生長(zhǎng)得到了2英寸的β-Ga2O3單晶，如圖11(a)所示。由于具有較寬的禁帶寬度，本征的β-Ga2O3在可見光及紫外波段光譜內(nèi)高度透明，然而晶體在生長(zhǎng)過程中可能引入雜質(zhì)和缺陷，β-Ga2O3晶體便表現(xiàn)出特定的顏色。如圖11(b)所示，圖片正當(dāng)中的晶體為非故意摻雜的β-Ga2O3晶體，整體呈現(xiàn)本征無色；左邊的氧化鎵晶體載流子濃度大約在1018cm-3量級(jí)，其吸收譜不僅在近紅外區(qū)域，在可見光譜紅光區(qū)域也有吸收，這使得晶體呈現(xiàn)藍(lán)色，右邊為絕緣的摻Mg氧化鎵，其淡黃色外觀是由可見光譜藍(lán)色部分的一些輕微吸收引起的[41]。

2016年，IKZ的Schewski等利用MOVPE法在不同偏角的β-Ga2O3襯底上進(jìn)行了同質(zhì)外延實(shí)驗(yàn)[42]，該偏角指的是襯底表面與(100)的夾角，襯底表面由(100)逐漸偏向(001)，如圖12所示，隨著偏角的增大，外延薄膜形貌愈加平整，在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)偏角為6°時(shí)，外延質(zhì)量最高，這是因?yàn)樵?001)方向的外延呈臺(tái)階流式生長(zhǎng)，這一結(jié)果與前文提及的MBE同質(zhì)外延的結(jié)論類似。目前國際上只有NCT和IKZ兩家單位生長(zhǎng)同質(zhì)外延片，同質(zhì)外延片的成功制備推動(dòng)了功率器件的研發(fā)進(jìn)程。

圖11 (a) β-Ga2O3晶錠直徑為2 inch，厚度為1 cm；(b)從左到右依次為低阻、高阻、絕緣的β-Ga2O3單晶[41]Fig.11 (a) 2 inch diameter and 1 cm thick β-Ga2O3 crystal slab; (b) β-Ga2O3 single crystals with the free electron concentration from low resistance (left) to high resistance (middle) and to insulating (right)[41]

圖12 偏角為0.1°、2°、4°、6°的襯底(a)～(d)及外延薄膜后(e)～(h)的表面原子力形貌圖[42]Fig.12 AFM images of substrates with miscut-angles of 0.1°, 2°, 4° and 6° towards c (a)～(d) and epitaxial grown layers on them (e)～(h)[42]

2.3 器件競(jìng)賽

高質(zhì)量同質(zhì)外延片的高效供應(yīng)，使得眾多科研單位得以加入到β-Ga2O3器件的研發(fā)工作當(dāng)中，隨著器件結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，制備技術(shù)的提升，β-Ga2O3功率器件的耐壓性能逐步逼近其理論值。2016年初，NICT的Wong等[43]第一次基于單晶β-Ga2O3制備了場(chǎng)板結(jié)構(gòu)(field-plated)的耗盡型MOSFET器件，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將器件擊穿電壓提高至755 V，如圖13所示，至此，器件功能競(jìng)賽正式開始。

2.3.1 美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen與Kelson Chabak領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)開展了β-Ga2O3功率器件的研究，2016年，AFRL器件研究團(tuán)隊(duì)的Andy Green在IKZ提供的外延片上構(gòu)建了MOSFET器件，器件構(gòu)型如圖14(a)所示，從圖14(b)中可以看出該器件在0.6 μm的柵漏漂移區(qū)內(nèi)承載電壓達(dá)到230 V，意味著平均臨界場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了3.8 MV/cm，這在當(dāng)時(shí)關(guān)于晶體管的報(bào)道中屬于最高值，超過了GaN和SiC的理論極限值[44]。

圖13 (a) β-Ga2O3基場(chǎng)板增強(qiáng)型MOSFET器件結(jié)構(gòu)截面示意圖；(b)器件的直流輸出特性曲線和關(guān)態(tài)擊穿曲線[43]Fig.13 (a) Schematic cross section of a generic β-Ga2O3 FP-MOSFET；(b) DC output characteristics and off-state breakdown curves of the β-Ga2O3 FP-MOSFET [43]

圖14 (a)β-Ga2O3 MOSFET器件結(jié)構(gòu)SEM照片；(b)器件的I-V特性曲線[44]Fig.14 (a) SEM image of the β-Ga2O3 MOSFET; (b) family of output curves for a MOSFET[44]

同年，Kelson Chabak也在IKZ提供的外延片上構(gòu)建了纏繞柵(wrap gate)翅片陣列(fin array)MOSFET器件[45]，器件結(jié)構(gòu)如圖15(a)所示，對(duì)該器件進(jìn)行測(cè)試后的結(jié)果顯示，當(dāng)柵漏極間距為21 μm時(shí)，在沒有場(chǎng)板結(jié)構(gòu)支撐的條件下，三端擊穿電壓可超600 V。

圖15 (a)纏繞柵翅片陣列MOSFET器件的SEM照片[45]；(b)凹陷柵極型橫向縮放的MOSFET器件SEM照片[46]Fig.15 (a) SEM image of a finFET[45]; (b) SEM image of enhancement-mode gate-recessed MOSFET[46]

AFRL的研究人員繼續(xù)對(duì)β-Ga2O3基MOSFET器件構(gòu)型進(jìn)行優(yōu)化，2017年Chabak制備了增強(qiáng)型FET器件[46]，如圖15(b)所示，這是一種凹陷柵極型橫向縮放的MOSFET器件，其源漏極距離僅3 μm，工作時(shí)漏電流小于200 mA/mm，擊穿電壓達(dá)到200 V。

2017年，NCT向AFRL提供了Fe摻雜的(010)取向的半絕緣β-Ga2O3襯底，Moser等[47]在此襯底上外延了Ge摻雜β-Ga2O3薄膜，并構(gòu)建了MOSFET器件，當(dāng)柵漏間距為5.5 μm時(shí)，該器件擊穿電壓接近480 V。2018年，Chabak等報(bào)道了第一個(gè)開關(guān)損耗低于硅的β-Ga2O3場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，其直流狀態(tài)下的功率轉(zhuǎn)換指數(shù)和動(dòng)態(tài)開關(guān)損耗超過了Si的理論極限[48]。2019年，AFRL制備了第一個(gè)自對(duì)準(zhǔn)柵MOSFET，這種構(gòu)型消除了源極接觸電阻，使得β-Ga2O3功率器件有了實(shí)現(xiàn)超低功耗的潛力[49]。

2.3.2 美國康奈爾大學(xué)(Cornell)

圖16 溝槽型SBD器件反向I-V特性曲線[52]Fig.16 Reverse I-V characteristics of the trench SBDs [52]

2018年，美國康奈爾大學(xué)的Li等[50]制備了β-Ga2O3基溝槽構(gòu)型的SBD器件(NCT襯底)，陣列寬度2 μm，其擊穿電壓超過1 232 V，漏電流小于1 μA/cm2，這是當(dāng)時(shí)已報(bào)道的最低值。隨后又設(shè)計(jì)了溝槽型MIS(金屬絕緣體半導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，以減小漏電流，降低表面電場(chǎng)，這種MIS型SBD的擊穿電壓超過了1.5 kV，相比于常規(guī)的SBD器件，漏電流減小了104倍[51]。同年，Li等[52]將β-Ga2O3基SBD的擊穿電壓提高到了2.44 kV，如圖16所示，這意味著β-Ga2O3實(shí)驗(yàn)上的最大擊穿場(chǎng)強(qiáng)突破了5 MV/cm，巴利加優(yōu)值(Baliga’s figure of merit，BV2/Ron， BFOM)達(dá)到了0.39 GW/cm2，在導(dǎo)通電阻較小的情況下，β-Ga2O3基SBD器件實(shí)現(xiàn)了更高的耐壓。

2019年，美國海軍研究院的Allen等[53]在器件構(gòu)型上增加了一個(gè)小角傾斜的場(chǎng)板，其結(jié)構(gòu)變化如圖17所示，這一改動(dòng)將β-Ga2O3基的SBD器件的BFOM提高到了0.6 GW/cm2。同年，美國康奈爾大學(xué)的Li等[54]將場(chǎng)板結(jié)構(gòu)β-Ga2O3基SBD器件的BFOM指數(shù)提高到了0.95 GW/cm2，器件功能層厚度為8.9 μm，擊穿電壓達(dá)到2.89 kV，比不加場(chǎng)板的結(jié)構(gòu)耐壓高了500 V，這項(xiàng)研究結(jié)果成為當(dāng)時(shí)β-Ga2O3功率器件領(lǐng)域的最優(yōu)值。

圖17 配置(a)傾斜場(chǎng)板；(b)小角傾斜場(chǎng)板的β-Ga2O3基SBD器件結(jié)構(gòu)示意圖[53]Fig.17 Schematics of vertical β-Ga2O3 SBDs with (a) beveled field plates and (b) small-angle beveled field plates[53]

2.3.3 其他單位

美國佛羅里達(dá)大學(xué)的Yang等[55]制備了場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的垂直SBD整流器，該器件漂移層厚度為20 μm，反向擊穿電壓高達(dá)2 300 V，漂移層厚度改為10 μm時(shí)，可承受1 A的正向電流和650 V的反向擊穿電壓，該結(jié)果首次證明了β-Ga2O3基SBD整流器的正向電流可超過1 A，促進(jìn)了β-Ga2O3在未來高功率器件領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

此外，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校(University at Buffalo, Buffalo)也在進(jìn)行β-Ga2O3器件的研究，在Zeng等[56]2018年發(fā)表的文章當(dāng)中，研究人員構(gòu)建了橫向的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的MOSFET器件，其擊穿電壓為1.85 kV，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了4.4 MV/cm。2020年，同組的Sharma等[57]對(duì)這一結(jié)構(gòu)的MOSFET器件進(jìn)行了聚合物鈍化，將器件的擊穿電壓提高到了8.03 kV，其器件構(gòu)型和耐壓測(cè)試如圖18所示。

圖18 (a) MOSFET器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b)鈍化與無鈍化器件的擊穿特性曲線[57]Fig.18 (a) Device schematic; (b) breakdown characteristics of device with and without passivation[57]

近年來，眾多單位陸續(xù)加入到β-Ga2O3的研究行列當(dāng)中，如美國的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、可再生能源實(shí)驗(yàn)室、橡樹林國家實(shí)驗(yàn)室、亞利桑那州立大學(xué)[58-61]，韓國的高麗大學(xué)、檀國大學(xué)、電子通信研究院[62-64]等，其研究領(lǐng)域擴(kuò)展至歐姆接觸的制備、晶圓加工、結(jié)構(gòu)缺陷分析等，β-Ga2O3研發(fā)迎來了它的全面發(fā)展期。

3 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)β-Ga2O3的相關(guān)研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，截至2019年，β-Ga2O3單晶生長(zhǎng)的尺寸便達(dá)到了4英寸，外延工藝也在同步跟進(jìn)，β-Ga2O3基器件研究以日盲探測(cè)器、高功率器件為主，相關(guān)結(jié)果已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

3.1 單晶生長(zhǎng)

國內(nèi)對(duì)于β-Ga2O3的研究最早報(bào)道見于2006年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的張俊剛等[65]利用FZ法制備了不同Sn摻雜濃度的β-Ga2O3晶體，當(dāng)時(shí)的氧化鎵只是被視為透明導(dǎo)電氧化物或外延生長(zhǎng)其他材料的襯底。2017年，山東大學(xué)陶緒堂教授課題組穆文祥利用導(dǎo)模法，在調(diào)整熱場(chǎng)的溫度梯度后，成功生長(zhǎng)出β-Ga2O3單晶[66]，該課題組在氧化鎵薄層剝離[67]、過渡離子摻雜[68]等方面做了大量工作。在其最新的工作當(dāng)中，通過改變模具形狀、提拉速率、銥?zāi)＞叩母叨鹊纫蛩?，制備得到了直?5 mm的圓柱形晶錠[69]，如圖19所示。

同濟(jì)大學(xué)徐軍、唐慧麗等對(duì)EFG技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)節(jié)晶體生長(zhǎng)氣氛為30%Ar和70%CO2，配合高引晶溫度和較小的軸向溫度梯度，從而有效地抑制了β-Ga2O3揮發(fā)、多晶生長(zhǎng)、開裂等問題，得到了2英寸高結(jié)晶質(zhì)量的晶體[70-71]。

中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所的張勝男、練小正等[72-73]在多年的晶體生長(zhǎng)基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化生長(zhǎng)氣氛和晶體生長(zhǎng)工藝，有效抑制了晶體生長(zhǎng)過程中的原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導(dǎo)模法成功制備出了高質(zhì)量4英寸β-Ga2O3單晶。制備的β-Ga2O3單晶寬度接近100 mm，總長(zhǎng)度達(dá)到250 mm，如圖20中的β-Ga2O3單晶可以加工出4英寸晶圓、3英寸晶圓和2英寸晶圓。

3.2 外延及器件

圖19 導(dǎo)模法生長(zhǎng)得到的直徑25 mm的β-Ga2O3柱狀單晶[69]Fig.19 Photograph of EFG-grown β-Ga2O3 cylindrical crystal with a diameter of 25 mm[69]

圖20 導(dǎo)模法制備出的4英寸β-Ga2O3單晶[73]Fig.20 Photographs of as-grown 4 inch β-Ga2O3 crystal grown by EFG method[73]

圖21 不同陽極-陰極間距的橫向SBD器件的反向I-V 特性曲線[81]Fig.21 Reverse I-V characteristics of lateral SBDs with various spacing between cathode and anode[81]

2019年，中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所馮志紅、呂元杰等在半絕緣β-Ga2O3襯底上利用MOCVD技術(shù)進(jìn)行了同質(zhì)外延，構(gòu)建了β-Ga2O3基MOSFET器件，測(cè)試其擊穿電壓超過550 V[76]。西安電子科技大學(xué)郝躍教授課題組自2016年開始從事氧化鎵功率器件的研究，研究?jī)?nèi)容包括光電器件[77]、功率器件[78]，以及薄膜外延研究[79-80]。該課題組胡壯壯等制備了場(chǎng)板增強(qiáng)型水平結(jié)構(gòu)的β-Ga2O3基SBD器件，其反向擊穿電壓超過了3 kV，且伴隨著一個(gè)小的直流導(dǎo)通電阻，如圖21所示，這表明場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的β-Ga2O3基SBD器件在未來的高功率器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[81]。

β-Ga2O3單晶、外延、器件發(fā)展時(shí)間線如圖22所示，β-Ga2O3的相關(guān)研究以應(yīng)用為導(dǎo)向逐步發(fā)展，前期生長(zhǎng)的單晶主要用作GaN襯底，而外延則針對(duì)深紫外探測(cè)器這一方向，集中在異質(zhì)外延(藍(lán)寶石襯底)領(lǐng)域，此時(shí)同質(zhì)外延方面的主要技術(shù)路線為FZ(單晶)結(jié)合MBE(外延)。直到2012年，氧化鎵同質(zhì)外延片首次應(yīng)用至功率器件領(lǐng)域，才開啟了氧化鎵材料發(fā)展的新紀(jì)元，此后多家研究機(jī)構(gòu)嘗試各種不同的生長(zhǎng)方法制備β-Ga2O3襯底和外延層。至2016年，β-Ga2O3同質(zhì)外延技術(shù)以NCT公司的EFG結(jié)合HVPE技術(shù)以及IKZ研究所的Cz結(jié)合MOVPE技術(shù)為主，二者相比，EFG可獲得更大的晶體尺寸，HVPE的外延沉積速率約為MOVPE的10倍，故而這一技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，成為目前的主流。

圖22 β-Ga2O3單晶、外延、器件發(fā)展時(shí)間線Fig.22 The time line of the development of β-Ga2O3 single crystal, epitaxy, devices

4 問題與解決方案

4.1 散 熱

β-Ga2O3室溫下的熱導(dǎo)率約在0.10～0.27 W·cm-1·K-1范圍內(nèi)[82]，由于材料屬于單斜晶系，在物理性能上表現(xiàn)出強(qiáng)的各向異性，山東大學(xué)穆文祥等測(cè)量了β-Ga2O3單晶材料的熱導(dǎo)率[66]，沿a、b、c三個(gè)方向的熱導(dǎo)率分別為15 W·m-1·K-1、28 W·m-1·K-1、18 W·m-1·K-1。雖然β-Ga2O3憑借其較寬的帶隙在功率器件方面取得了巨大的成功，但材料本身具有較差的熱導(dǎo)率，故β-Ga2O3器件可能受到自熱效應(yīng)的影響，從而導(dǎo)致設(shè)備性能的下降。2019年，上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所歐欣課題組與郝躍院士課題組合作利用“萬能離子刀”智能剝離與轉(zhuǎn)移技術(shù)，首次將晶圓級(jí)β-Ga2O3單晶薄膜(400 nm)與高導(dǎo)熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級(jí)異質(zhì)集成，并制備出高性能器件，為β-Ga2O3晶圓散熱問題提供了最優(yōu)解決方案[83]。

Higashiwaki等在(010)取向的β-Ga2O3襯底上外延了Sn摻雜的功能層，利用原子層沉積技術(shù)制備了Al2O3柵極介電材料，構(gòu)建了MOSFET器件，如圖23(a)所示，器件的截止態(tài)擊穿電壓為370 V。研究人員還測(cè)試了不同溫度下器件的性能，從圖23(b)中可以看出，當(dāng)溫度由室溫升高至250oC時(shí)，器件性能并未出現(xiàn)明顯的衰退，這表明盡管β-Ga2O3熱導(dǎo)率較低，但高溫工作環(huán)境下，β-Ga2O3基MOSFET器件功能穩(wěn)定[84]，這一結(jié)果表明較差的導(dǎo)熱性能不會(huì)成為限制β-Ga2O3在功率器件領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素。

4.2 p型摻雜

與其他寬禁帶氧化物半導(dǎo)體類似，實(shí)現(xiàn)氧化鎵的p型摻雜的難度較大，這與其本征的電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，在氧化鎵的能帶結(jié)構(gòu)中，其價(jià)帶頂由強(qiáng)局域化的O 2p軌道組成，這導(dǎo)致了一個(gè)大的空穴有效質(zhì)量，隨之而來的是低的空穴遷移率，這意味著大部分摻雜進(jìn)去的空穴被定域晶格捕獲成為小極化子，從而無法形成自由載流子[85]。還有一個(gè)原因是氧化鎵的價(jià)帶處于更深的能級(jí)，空穴更容易被缺陷態(tài)所補(bǔ)償，導(dǎo)致了p型摻雜率低，因此缺乏一種能顯著激發(fā)空穴濃度的淺層受體[86]。

山東大學(xué)唐程等進(jìn)行了多種金屬摻雜氧化鎵的第一性原理計(jì)算，研究了摻雜后材料的形成能、電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)，以期尋找潛在的p型摻雜劑。計(jì)算結(jié)果表明，離子半徑較小的Li和Be元素，更傾向于Ga的間隙摻雜而不是取代摻雜，最終導(dǎo)致?lián)诫s體系呈現(xiàn)n型特征，而Na、Mg、Ca、Cu、Ag、Zn、Cd等都具有實(shí)現(xiàn)p型氧化鎵的潛力，這值得在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步重點(diǎn)研究[87]。西安電子科技大學(xué)郝躍教授課題組利用密度泛函理論研究了貧電子金屬與N元素共摻實(shí)現(xiàn)氧化鎵的p型摻雜[88]，從理論的角度上闡明了p型摻雜的可能。2020年6月，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院方志來教授研究團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量p型β-Ga2O3薄膜與高性能MSM型深紫外日盲光電探測(cè)器研究上取得重要進(jìn)展[89]。該團(tuán)隊(duì)采用固-固相變?cè)粨诫s技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了β-Ga2O3薄膜中的N元素?fù)诫s，通過霍爾效應(yīng)的測(cè)量得到了薄膜當(dāng)中載流子的類型、濃度、遷移率等信息，由圖24可知，β-Ga2O3薄膜中載流子為空穴，證明β-Ga2O3薄膜確實(shí)為p型半導(dǎo)體，這一結(jié)果部分解決了氧化鎵的p型摻雜難題。

圖23 (a) MOSFET器件的結(jié)構(gòu)截面示意圖；(b)室溫和250 ℃下β-Ga2O3基MOSFET的關(guān)態(tài)擊穿特性[84]Fig.23 (a) Schematic cross-section of β-Ga2O3 MOSFET；(b) off-state breakdown characteristics of β-Ga2O3 MOSFETs operating at RT and 250 ℃[84]

圖24 霍爾電壓隨外磁場(chǎng)變化關(guān)系圖[89]Fig.24 Hall voltage versus applied magnetic field[89]

盡管氧化鎵缺乏p型摻雜，但這并沒有完全妨礙其在功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用，由前文匯總可知，研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)了多樣的器件構(gòu)型，有效規(guī)避了p型摻雜困難的問題，并實(shí)現(xiàn)了良好的器件性能。

5 結(jié)語與展望

β-Ga2O3相較于其他超寬禁帶半導(dǎo)體材料，最大的優(yōu)點(diǎn)就是它可以通過熔體法生長(zhǎng)，這極大地降低了工業(yè)生產(chǎn)的成本，生長(zhǎng)高質(zhì)量大尺寸的β-Ga2O3單晶襯底是β-Ga2O3基器件開發(fā)應(yīng)用的基礎(chǔ)?；讦?Ga2O3設(shè)計(jì)的功率器件，其核心是外延層，除結(jié)晶質(zhì)量外，外延層的關(guān)鍵在于可調(diào)的載流子濃度，并以此來平衡導(dǎo)通電阻、耐電壓值、開關(guān)時(shí)間三者的關(guān)系。獲得高質(zhì)量同質(zhì)外延片后，需要選擇合適的金屬和工藝來實(shí)現(xiàn)歐姆接觸或肖特基接觸，器件構(gòu)型的設(shè)計(jì)和介質(zhì)層的選擇也尤為重要，測(cè)試的結(jié)果也可以來評(píng)價(jià)材料的本征特性。目前β-Ga2O3領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究相對(duì)薄弱，對(duì)于材料本身的缺陷類型、電輸運(yùn)機(jī)制、摻雜機(jī)理等問題仍未得出清晰解釋，相關(guān)問題的解決對(duì)β-Ga2O3在未來的應(yīng)用具有重要意義。