超寬禁帶半導體β-Ga2O3相關研究進展

王新月，張勝男，霍曉青，周金杰，王 健，程紅娟

(1.中國電子科技集團公司第四十六研究所，天津 300220； 2.中國電子科技集團公司新型半導體晶體材料技術重點實驗室，天津 300220)

0 引 言

氧化鎵(Ga2O3)的歷史始于1875年，Bolisbaudran發現了新元素鎵(Ga)及其化合物[1]。1952年，Roy等[2]首次實現了Al2O3-Ga2O3-H2O的相平衡系統，確定了Ga2O3的多相結構并提出了這些相之間轉變的方式。Ga2O3共有五種晶相：α相(剛玉結構)、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)，在這五種相當中，β-Ga2O3是最穩定的。β-Ga2O3的熔點為1 820 ℃，其粉末呈白色三角形結晶顆粒，密度5.95 g/cm3，不溶于水[3]。早期氧化鎵的研究主要關注其結構、相變等性質，相關應用和研究熱點集中在催化、氣敏傳感器、熒光、電致發光等領域[4]。隨著單晶及薄膜生長技術的成熟[5-6]，β-Ga2O3逐漸被應用于新的場景[7]。

1 前期探索

1.1 單晶生長

關于提拉法(Czochralski method, Cz)成功生長β-Ga2O3單晶的首篇研究報道發表于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Fukuda共同發表。目前，β-Ga2O3單晶生長的相關研究主要集中在德國和日本。

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

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

2001年，Tomm與Fukuda等[9]又首次用浮區法(floating zone technique, FZ)生長了β-Ga2O3單晶。同年， Fukuda與Villora合作繼續用FZ法生長β-Ga2O3單晶。β-Ga2O3單晶在當時主要被用作透明導電氧化物[10]，之后兩年間，日本東北大學的Villora逐步對β-Ga2O3的陰極發光[11]、紅外反射[12]、電導率[12]、微觀結構[13]、熒光光譜[14]、電輸運機制[15]等物理性質進行了研究。

圖2 浮區法制備的沿(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，利用FZ法生長得到了<100>、<010>、<001>三個晶向的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，浮區法不需要坩堝和模具，生長得到的晶體較純凈[16]。

2006年，早稻田大學Shimamura與Villora等嘗試用導模法(edge-defined film-fed growth, EFG)生長β-Ga2O3單晶，但只得到了開裂的晶體[17]。導模法與提拉法不同的是，它需要在坩堝中放入一個有縫的模具，如圖3(c)所示，熔化的氧化鎵熔體在毛細作用的推動下，沿著細縫上升到模具表面，而后冷卻結晶，晶體外形由模具形狀決定。日本精密寶石株式會社(Namiki)是專門從事晶體生長的公司，在看到β-Ga2O3可以用EFG法生長的可能后，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法在生長大尺寸β-Ga2O3單晶方面的優越性[18]。

圖3 導模法生長的(a)單晶、(b)多晶β-Ga2O3晶體；(c)導模法加熱爐示意圖[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、質量、電學性能等因素，關于外延方面的研究主要集中在異質外延，為數不多的同質外延也是基于(100)面襯底，這是因為(100)面最穩定，且是最強解理面，相對容易獲得。

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

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

1.3 早期應用

β-Ga2O3的早期應用主要利用β-Ga2O3的晶體結構及光學特性。隨著β-Ga2O3單晶襯底的成功制備，日本早稻田大學的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化學氣相沉積(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了c面的GaN，如圖5(a)所示，并構建了發光二極管(light emitting diode, LED)器件，垂直電流注入后，LED成功發出藍光，如圖5(b)所示，表明β-Ga2O3可以作為GaN基發光器件的新襯底[27]。2007年，Villora等[28]對GaN/β-Ga2O3異質結進行了結構分析，詳細描述了GaN與β-Ga2O3單晶襯底的外延關系，結合透射電鏡的結果，研究人員認為c面GaN在表面經過有效氮化的(100)取向的β-Ga2O3襯底上可以實現準同質外延，GaN在界面處受到一個沿b軸的壓應力，同時伴隨一個沿c軸的拉應力，面內晶格失配度僅為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結果；(b)LED器件在垂直電流注入β-Ga2O3襯底后發出藍光[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，日本京都大學的Oshima等[29]，在藍寶石襯底上外延生長了β-Ga2O3單晶薄膜，并測量了異質結的深紫外吸收譜，利用這一特性，研究人員制備了日盲深紫外光電探測器，器件測試結果如圖6所示，可知β-Ga2O3在260 nm波長處有明顯的吸收。在此階段的研究中，β-Ga2O3并未在功率器件領域得到應用，大多數研究仍集中在LED基板(外延GaN)、深紫外光電探測等領域[30]。

圖6 反向偏壓為10 V時光電探測器的光電流光譜響應(a)和光響應性(b)；虛線表示在沒有載流子倍增的 情況下預期的光響應性[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被應用于場效應晶體管中，這是氧化鎵在功率器件領域的初次嘗試，良好的器件結果表明β-Ga2O3在該領域的巨大潛力，但當時同質外延片是在浮區法生長的單晶上利用分子束外延法得到的，尺寸小且外延速率慢，遠不能達到工業化的水平，故而激發了單晶及外延技術的發展，日本Novel Crystal Technology公司成熟地利用導模法配合鹵化物氣相外延技術以生產氧化鎵同質外延片，襯底的大量供應引起了世界各地的器件研發熱潮。

2.1 器件問世

經過十余年單晶生長及薄膜外延的技術積累后，2012年，日本信息通信研究機構(National Institute of Information and Communications Technology, NICT)的Higashiwaki Masataka首次證明β-Ga2O3在功率器件領域的實用價值，他在FZ法生長的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，構建了金屬半導體場效應晶體管(metal-semiconductor field-effect transistors, MESFET)，如圖7所示，器件截止狀態(off state)下的擊穿電壓超過250 V，可以實現高達104的開關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域有很大的應用潛力[31]。該工作的報道激起了β-Ga2O3的研發熱潮。

同年，NICT的Sasaki等利用MBE技術制備了高質量的β-Ga2O3同質外延薄膜，研究了外延薄膜生長速率與襯底取向的關系，如圖8(a)所示，襯底表面與(100)面的夾角越大，薄膜的生長速率越快，例如:(100)面的生長速率約為10 nm/h，而(010)和(310)面的生長速率達到125 nm/h，這是因為(100)面的附著能顯著低于其他面，所以(100)面的再蒸發速率高于其他面。從實際生產的角度來看，薄膜生長速率越快越好，因此襯底通常選擇(010)或(001)面。此外，研究人員構建了肖特基勢壘二極管(Schottky barrier diode, SBD)器件[32]，如圖8(b)所示，這是β-Ga2O3同質外延層在SBD器件中的首次應用，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，導通電阻為2 mΩ·cm2。

2.2 同質外延

2.2.1 諾維晶科(NCT)

圖7 (a)禁帶寬度與擊穿場強的關系；(b)主要半導體和β-Ga2O3理論極限上的導通電阻與擊穿場強的關系； (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外延速率的關系，橫坐標為襯底表面與(100)面夾角的大小；(b) SBD的I-V測量 曲線，插圖為器件的結構示意圖[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，東京農工的Kazushiro Nomura和Hisashi Murakami等發表了關于鹵化物氣相外延(halide vapor phase epitaxy, HVPE)法生長高質量β-Ga2O3同質外延薄膜的文章[38-39]，研究人員用EFG法生長得到的(001)面的單晶襯底，基于熱動力學分析，調整生長氣壓，首次獲得大尺寸高質量的外延薄膜，生長速率約為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域應用的大門。

圖9 田村制作所β-Ga2O3晶圓研發進度[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襯底上生長薄膜的上表面顯微鏡照片，生長溫度分別為(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技術已經可以很好地應用于β-Ga2O3同質外延中，在此基礎上，NICT和田村制作所于2015年6月合作成立了風險投資企業“諾維晶科”，該公司成為目前氧化鎵單晶及同質外延片的主要供應商。

2.2.2 德國萊布尼茲晶體生長研究所(IKZ)

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

2014年，Zbigniew Galazka等利用Cz法生長得到了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高度透明，然而晶體在生長過程中可能引入雜質和缺陷，β-Ga2O3晶體便表現出特定的顏色。如圖11(b)所示，圖片正當中的晶體為非故意摻雜的β-Ga2O3晶體，整體呈現本征無色；左邊的氧化鎵晶體載流子濃度大約在1018cm-3量級，其吸收譜不僅在近紅外區域，在可見光譜紅光區域也有吸收，這使得晶體呈現藍色，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襯底上進行了同質外延實驗[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，在特定的實驗條件下，當偏角為6°時，外延質量最高，這是因為在(001)方向的外延呈臺階流式生長，這一結果與前文提及的MBE同質外延的結論類似。目前國際上只有NCT和IKZ兩家單位生長同質外延片，同質外延片的成功制備推動了功率器件的研發進程。

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 器件競賽

高質量同質外延片的高效供應，使得眾多科研單位得以加入到β-Ga2O3器件的研發工作當中，隨著器件結構的創新，制備技術的提升，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制備了場板結構(field-plated)的耗盡型MOSFET器件，場板結構的應用將器件擊穿電壓提高至755 V，如圖13所示，至此，器件功能競賽正式開始。

2.3.1 美國空軍研究實驗室(AFRL)

美國空軍研究實驗室注意到了NICT的成功，研究員Gregg Jessen與Kelson Chabak領導團隊開展了β-Ga2O3功率器件的研究，2016年，AFRL器件研究團隊的Andy Green在IKZ提供的外延片上構建了MOSFET器件，器件構型如圖14(a)所示，從圖14(b)中可以看出該器件在0.6 μm的柵漏漂移區內承載電壓達到230 V，意味著平均臨界場強達到了3.8 MV/cm，這在當時關于晶體管的報道中屬于最高值，超過了GaN和SiC的理論極限值[44]。

圖13 (a) β-Ga2O3基場板增強型MOSFET器件結構截面示意圖；(b)器件的直流輸出特性曲線和關態擊穿曲線[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器件結構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提供的外延片上構建了纏繞柵(wrap gate)翅片陣列(fin array)MOSFET器件[45]，器件結構如圖15(a)所示，對該器件進行測試后的結果顯示，當柵漏極間距為21 μm時，在沒有場板結構支撐的條件下，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的研究人員繼續對β-Ga2O3基MOSFET器件構型進行優化，2017年Chabak制備了增強型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，工作時漏電流小于200 mA/mm，擊穿電壓達到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，并構建了MOSFET器件，當柵漏間距為5.5 μm時，該器件擊穿電壓接近480 V。2018年，Chabak等報道了第一個開關損耗低于硅的β-Ga2O3場效應晶體管器件，其直流狀態下的功率轉換指數和動態開關損耗超過了Si的理論極限[48]。2019年，AFRL制備了第一個自對準柵MOSFET，這種構型消除了源極接觸電阻，使得β-Ga2O3功率器件有了實現超低功耗的潛力[49]。

2.3.2 美國康奈爾大學(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，美國康奈爾大學的Li等[50]制備了β-Ga2O3基溝槽構型的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，這是當時已報道的最低值。隨后又設計了溝槽型MIS(金屬絕緣體半導體)結構，以減小漏電流，降低表面電場，這種MIS型SBD的擊穿電壓超過了1.5 kV，相比于常規的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實驗上的最大擊穿場強突破了5 MV/cm，巴利加優值(Baliga’s figure of merit，BV2/Ron， BFOM)達到了0.39 GW/cm2，在導通電阻較小的情況下，β-Ga2O3基SBD器件實現了更高的耐壓。

2019年，美國海軍研究院的Allen等[53]在器件構型上增加了一個小角傾斜的場板，其結構變化如圖17所示，這一改動將β-Ga2O3基的SBD器件的BFOM提高到了0.6 GW/cm2。同年，美國康奈爾大學的Li等[54]將場板結構β-Ga2O3基SBD器件的BFOM指數提高到了0.95 GW/cm2，器件功能層厚度為8.9 μm，擊穿電壓達到2.89 kV，比不加場板的結構耐壓高了500 V，這項研究結果成為當時β-Ga2O3功率器件領域的最優值。

圖17 配置(a)傾斜場板；(b)小角傾斜場板的β-Ga2O3基SBD器件結構示意圖[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

美國佛羅里達大學的Yang等[55]制備了場板結構的垂直SBD整流器，該器件漂移層厚度為20 μm，反向擊穿電壓高達2 300 V，漂移層厚度改為10 μm時，可承受1 A的正向電流和650 V的反向擊穿電壓，該結果首次證明了β-Ga2O3基SBD整流器的正向電流可超過1 A，促進了β-Ga2O3在未來高功率器件領域的發展與應用。

此外，美國紐約州立大學布法羅分校(University at Buffalo, Buffalo)也在進行β-Ga2O3器件的研究，在Zeng等[56]2018年發表的文章當中，研究人員構建了橫向的場板結構的MOSFET器件，其擊穿電壓為1.85 kV，其平均擊穿場強達到了4.4 MV/cm。2020年，同組的Sharma等[57]對這一結構的MOSFET器件進行了聚合物鈍化，將器件的擊穿電壓提高到了8.03 kV，其器件構型和耐壓測試如圖18所示。

圖18 (a) MOSFET器件結構示意圖；(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，眾多單位陸續加入到β-Ga2O3的研究行列當中，如美國的卡內基梅隆大學、可再生能源實驗室、橡樹林國家實驗室、亞利桑那州立大學[58-61]，韓國的高麗大學、檀國大學、電子通信研究院[62-64]等，其研究領域擴展至歐姆接觸的制備、晶圓加工、結構缺陷分析等，β-Ga2O3研發迎來了它的全面發展期。

3 國內現狀

國內β-Ga2O3的相關研究雖然起步較晚，但發展迅速，截至2019年，β-Ga2O3單晶生長的尺寸便達到了4英寸，外延工藝也在同步跟進，β-Ga2O3基器件研究以日盲探測器、高功率器件為主，相關結果已達到國際先進水平。

3.1 單晶生長

國內對于β-Ga2O3的研究最早報道見于2006年，中國科學院上海光學精密機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，當時的氧化鎵只是被視為透明導電氧化物或外延生長其他材料的襯底。2017年，山東大學陶緒堂教授課題組穆文祥利用導模法，在調整熱場的溫度梯度后，成功生長出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。在其最新的工作當中，通過改變模具形狀、提拉速率、銥模具的高度等因素，制備得到了直徑25 mm的圓柱形晶錠[69]，如圖19所示。

同濟大學徐軍、唐慧麗等對EFG技術進行了優化，調節晶體生長氣氛為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、多晶生長、開裂等問題，得到了2英寸高結晶質量的晶體[70-71]。

中國電子科技集團公司第四十六研究所的張勝男、練小正等[72-73]在多年的晶體生長基礎上，通過改進熱場結構、優化生長氣氛和晶體生長工藝，有效抑制了晶體生長過程中的原料分解、多晶形成、晶體開裂等問題，采用導模法成功制備出了高質量4英寸β-Ga2O3單晶。制備的β-Ga2O3單晶寬度接近100 mm，總長度達到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 導模法生長得到的直徑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技術進行了同質外延，構建了β-Ga2O3基MOSFET器件，測試其擊穿電壓超過550 V[76]。西安電子科技大學郝躍教授課題組自2016年開始從事氧化鎵功率器件的研究，研究內容包括光電器件[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板增強型水平結構的β-Ga2O3基SBD器件，其反向擊穿電壓超過了3 kV，且伴隨著一個小的直流導通電阻，如圖21所示，這表明場板結構的β-Ga2O3基SBD器件在未來的高功率器件領域具有巨大的應用潛力[81]。

β-Ga2O3單晶、外延、器件發展時間線如圖22所示，β-Ga2O3的相關研究以應用為導向逐步發展，前期生長的單晶主要用作GaN襯底，而外延則針對深紫外探測器這一方向，集中在異質外延(藍寶石襯底)領域，此時同質外延方面的主要技術路線為FZ(單晶)結合MBE(外延)。直到2012年，氧化鎵同質外延片首次應用至功率器件領域，才開啟了氧化鎵材料發展的新紀元，此后多家研究機構嘗試各種不同的生長方法制備β-Ga2O3襯底和外延層。至2016年，β-Ga2O3同質外延技術以NCT公司的EFG結合HVPE技術以及IKZ研究所的Cz結合MOVPE技術為主，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，故而這一技術路線實現了產業化，成為目前的主流。

圖22 β-Ga2O3單晶、外延、器件發展時間線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室溫下的熱導率約在0.10～0.27 W·cm-1·K-1范圍內[82]，由于材料屬于單斜晶系，在物理性能上表現出強的各向異性，山東大學穆文祥等測量了β-Ga2O3單晶材料的熱導率[66]，沿a、b、c三個方向的熱導率分別為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率，故β-Ga2O3器件可能受到自熱效應的影響，從而導致設備性能的下降。2019年，上海微系統與信息技術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”智能剝離與轉移技術，首次將晶圓級β-Ga2O3單晶薄膜(400 nm)與高導熱的Si和4H-SiC襯底晶圓級異質集成，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制備了Al2O3柵極介電材料，構建了MOSFET器件，如圖23(a)所示，器件的截止態擊穿電壓為370 V。研究人員還測試了不同溫度下器件的性能，從圖23(b)中可以看出，當溫度由室溫升高至250oC時，器件性能并未出現明顯的衰退，這表明盡管β-Ga2O3熱導率較低，但高溫工作環境下，β-Ga2O3基MOSFET器件功能穩定[84]，這一結果表明較差的導熱性能不會成為限制β-Ga2O3在功率器件領域應用的主要因素。

4.2 p型摻雜

與其他寬禁帶氧化物半導體類似，實現氧化鎵的p型摻雜的難度較大，這與其本征的電子結構有關，在氧化鎵的能帶結構中，其價帶頂由強局域化的O 2p軌道組成，這導致了一個大的空穴有效質量，隨之而來的是低的空穴遷移率，這意味著大部分摻雜進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]。還有一個原因是氧化鎵的價帶處于更深的能級，空穴更容易被缺陷態所補償，導致了p型摻雜率低，因此缺乏一種能顯著激發空穴濃度的淺層受體[86]。

山東大學唐程等進行了多種金屬摻雜氧化鎵的第一性原理計算，研究了摻雜后材料的形成能、電子結構、光學性質，以期尋找潛在的p型摻雜劑。計算結果表明，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，最終導致摻雜體系呈現n型特征，而Na、Mg、Ca、Cu、Ag、Zn、Cd等都具有實現p型氧化鎵的潛力，這值得在實驗中進一步重點研究[87]。西安電子科技大學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元素共摻實現氧化鎵的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，復旦大學信息科學與工程學院方志來教授研究團隊在高質量p型β-Ga2O3薄膜與高性能MSM型深紫外日盲光電探測器研究上取得重要進展[89]。該團隊采用固-固相變原位摻雜技術，實現了β-Ga2O3薄膜中的N元素摻雜，通過霍爾效應的測量得到了薄膜當中載流子的類型、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薄膜確實為p型半導體，這一結果部分解決了氧化鎵的p型摻雜難題。

圖23 (a) MOSFET器件的結構截面示意圖；(b)室溫和250 ℃下β-Ga2O3基MOSFET的關態擊穿特性[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 霍爾電壓隨外磁場變化關系圖[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域的應用，由前文匯總可知，研究人員已經設計了多樣的器件構型，有效規避了p型摻雜困難的問題，并實現了良好的器件性能。

5 結語與展望

β-Ga2O3相較于其他超寬禁帶半導體材料，最大的優點就是它可以通過熔體法生長，這極大地降低了工業生產的成本，生長高質量大尺寸的β-Ga2O3單晶襯底是β-Ga2O3基器件開發應用的基礎。基于β-Ga2O3設計的功率器件，其核心是外延層，除結晶質量外，外延層的關鍵在于可調的載流子濃度，并以此來平衡導通電阻、耐電壓值、開關時間三者的關系。獲得高質量同質外延片后，需要選擇合適的金屬和工藝來實現歐姆接觸或肖特基接觸，器件構型的設計和介質層的選擇也尤為重要，測試的結果也可以來評價材料的本征特性。目前β-Ga2O3領域的基礎研究相對薄弱，對于材料本身的缺陷類型、電輸運機制、摻雜機理等問題仍未得出清晰解釋，相關問題的解決對β-Ga2O3在未來的應用具有重要意義。