宽禁带半导体氧化镓晶体和器件研究进展

陶绪堂，穆文祥，贾志泰

(山东大学 晶体材料国家重点实验室，山东 济南 250100)

1 前 言

半导体材料是现代信息技术的基石，半导体材料的发展推动了电子、信息、通讯、能源等领域的快速发展。其中以Si，Ge为代表的第一代半导体材料的发展推动了信息技术革命；以GaAs、InP为代表的第二代化合物半导体材料在无线电通讯、微波雷达及红光LED方面有重要的应用；第三代半导体材料也被称为宽禁带半导体材料，以SiC、GaN和ZnO等材料为代表，在功率器件、短波长光电器件、光显示、光存储、光探测、透明导电等领域有着广阔的应用[1]。目前，禁带宽度更大的金刚石、Ga2O3、AlN及BN等超宽禁带半导体材料，具有更加优异的物理性能，在节能减排、信息技术、国防装备等领域有重要应用前景，逐渐受到国内外专家的重视[2-4]。

Ga2O3是一种新型宽禁带半导体材料，已知晶相共6种，包括α，β，γ等5种稳定相和1个瞬态相κ-Ga2O3[5-6]，其中β相为热力学稳定相。Ga2O3熔点约为1793 ℃[7]，高温下其他相均转变为β-Ga2O3，通过熔体法只能生长获得β-Ga2O3单晶。β-Ga2O3在体块单晶生长方面，相对其他晶相具有明显优势。

β-Ga2O3晶体禁带宽度约为4.7 eV，远大于Si(1.1 eV)、GaAs(1.4 eV)、SiC(3.3 eV)及GaN(3.4 eV)等材料[3, 8]。大的禁带宽度使β-Ga2O3具备制作高耐压、大功率、低损耗功率器件及深紫外光电器件的能力，可以弥补现有半导体材料的不足[4, 9]。此外，相比SiC、GaN等宽禁带半导体材料，β-Ga2O3在材料制备方面优势明显。β-Ga2O3与单晶Si、GaAs类似，可以采用熔体法生长，晶体制备成本较低[10-12]。因此，β-Ga2O3晶体作为一种低成本、超禁带半导体材料具有良好的应用前景。

本文主要介绍β-Ga2O3单晶生长方法及研究进展，重点讨论了导模法生长晶体的工艺过程、气氛优化、温场调控及开裂抑制等问题。此外还进一步讨论了单晶衬底加工及器件应用研究。

2 导模法单晶生长

2.1 导模法生长β-Ga2O3简介

导模法(edge-defined film-fed growth method, EFG)是一种重要的晶体生长方法，具有能生长特殊形状晶体、生长速度快、生长成本低等优点，常用于生长单晶硅、闪烁材料、蓝宝石等晶体[13-19]。与提拉法相比，导模法需要在坩埚中放置模具，晶体生长界面位于模具上表面，如图1所示[17]。高温下，由于表面张力的作用，熔体沿模具中的毛细管上升到模具上表面。熔体沿毛细管上升高度H由公式(1)决定：

(1)

对于毛细缝，上升高度H为：

(2)

其中γ为熔体表面张力，θ为熔体与毛细管之间的接触角，ρ为熔体密度，g为重力加速度，r为毛细管半径，d为毛细缝宽度。

图1 导模法晶体生长原理图[17]Fig.1 Schematic diagram of EFG method[17]

导模法晶体生长界面位于模具与晶体的交界处，铱金模具固定于铱金坩埚中，晶体生长界面不随坩埚中熔体的变化而变化。除此之外，相较于提拉法，导模法晶体等径生长过程中，模具上方液膜全部被晶体覆盖，模具上方散热环境一致，生长界面更为稳定，适合生长高电子浓度β-Ga2O3晶体。德国、美国等国家主要采用提拉法生长β-Ga2O3晶体，日本、中国等国家多采用导模法生长β-Ga2O3晶体。由于导模法晶体生长界面更加稳定，目前高电子浓度体块单晶主要通过导模法生长。

2008年,Namiki Precision Jewel公司也探索了β-Ga2O3导模法晶体生长工艺，研究了晶体收颈对晶体开裂的影响[20]，获得晶体如图2所示。

图2 导模法生长获得β-Ga2O3晶体[20]Fig.2 β-Ga2O3 crystals grown by EFG method[20]

目前，日本田村制作所(Tamura)在单晶生长方面处于领先地位，已经实现了2英寸晶圆的产业化，并生长获得了6英寸晶体，如图3所示[21]。此外，n型高掺β-Ga2O3晶体也可以通过导模法生长。

图3 Tamura生长的β-Ga2O3晶体[21]Fig.3 β-Ga2O3 crystals grown by Tamura[21]

为比较不同晶体生长方法在β-Ga2O3晶体生长方面的适用性，作者课题组从晶体质量、晶体尺寸、电导率是否可控3个主要方面对目前已有的β-Ga2O3体块单晶生长方法进行了比较，如表1所示[10-12]。可以看出，提拉法(czochralski, CZ)、导模法(edge-defined film-fed growth, EFG)、布里奇曼法(vertical bridgeman, VB)可以生长获得高质量晶体；提拉法、导模法有望生长获得大尺寸β-Ga2O3晶体；化学气相传输法(chemical vapor transport, CVT)、焰熔法(verneuil)、光浮区法(optical floating-zone, OFZ)、导模法及布里奇曼法可以有效控制晶体电导率。综合上述3种因素，导模法是目前最有潜力的β-Ga2O3单晶生长方法，并且也是目前唯一实现β-Ga2O3商业化的晶体生长方法。

表1β-Ga2O3晶体生长方法比较[10-12]

Table1Comparisonofdifferentcrystalgrowthmethodsofβ-Ga2O3[10-12]

MethodsCrystalline qualityCrystal sizeConductivity controlCVT××√Flux×××Verneuil××√OFZ—×√VB——√CZ√√—EFG√√√

Note：“×”- not good; “—”-ordinary; “√”-good

2.2 导模法生长β-Ga2O3晶体及工艺优化

作者课题组使用的β-Ga2O3单晶生长设备为自主改进的导模法晶体生长炉，中频感应加热，铱金坩埚作为发热体，配合自主设计模具及保温材料，炉内通入特定保护气氛。

在探索初期，生长设备加装了CCD，对晶体生长界面实现了实时监控。如图4所示[17]，晶体生长过程成像清晰，为晶体生长参数调整提供了有效参考。

图4 导模法生长β-Ga2O3晶体成像[17]Fig.4 CCD images of growing β-Ga2O3 in EFG method[17]

氧化镓原料在高温下容易挥发，挥发出来的气态Ga2O3会在保温材料及晶体表面重新凝结，严重时凝结的针状、片状晶体会影响称重信号，影响晶体的上拉过程。图5为在Ar气保护气氛下，针状、片状杂晶凝结情况及晶体生长过程中重量信号的变化。杂晶导致晶体重量信号出现较大波动，重量信号失去相应的参考价值。杂晶的形成还会扰动结晶过程，影响晶体的结晶质量[22]。

为解决上述问题，作者课题组在保护气氛中加入了CO2，以减弱β-Ga2O3在高温下的挥发、分解。CO2可以在高温下发生分解反应如式(3)[23]：

(3)

晶体生长时温度较高，CO2会分解出较多的O2，增加气氛中的氧分压，抑制β-Ga2O3原料的挥发、分解。因此，CO2的加入，可以起到动态调节生长气氛中氧分压的作用[23]。后期作者课题组将保护气氛更换为70% CO2、1% O2和29% N2的混合气氛(体积分数，下同)，1% O2不会造成铱金坩埚及模具的严重氧化，70% CO2又可以在高温下提供额外氧分压，晶体生长过程中氧化镓原料的挥发、分解及凝结过程得到了大大抑制。图6为优化后的晶体称重信号，可以看出，晶体称重信号随时间稳定上升，晶体生长非常稳定[22]。

图5 晶体生长过程中的杂晶凝结及晶体称重信号[22]Fig.5 Condensate polycrystal around the as-grown crystal and disturbed weighing signal of the growing crystal[22]

图6 气氛优化后的晶体称重信号[22]Fig.6 Weight signal of the crystal under optimized atmosphere[22]

合理的温场设计是晶体生长的关键，导模法结晶过程发生在模具上表面的固液界面处，因此，温场设计的关键是对模具上表面固液界面处温度梯度的调控。为生长高质量单晶，作者课题组进行了不同温度梯度下晶体生长的探索。因为晶体生长温度较高，炉腔密封，温度梯度的实际测量较为困难，所以作者根据经验调整坩埚在线圈中的位置，对保温材料的结构和厚度对温度梯度的影响进行了定性研究。晶体生长初期温场轴向温度梯度(ΔT/Δh)较大，在较大的温度梯度下β-Ga2O3原料的挥发和凝结现象严重，生长获得的晶体表面较为粗糙。由于温度梯度较大，生长得到的晶体中的热应力严重，晶体容易产生开裂。后期作者逐步减小了温度梯度，探索了温度梯度对晶体生长的影响，图7为不同温度梯度下生长获得的β-Ga2O3晶体。从图中可以看出，在较小温度梯度下生长获得的晶体较为透亮，但是晶体表面起伏较大。这是由于在较小的轴向温度梯度下，晶体固液界面稳定性差，晶体容易出现厚度的起伏。在中等温度梯度下生长获得的晶体表面情况介于上述两种情况之间，晶体表面相对光滑、晶体通透、表面无起伏，晶体质量较高[10]。

图7 不同温度梯度下生长获得的β-Ga2O3晶体照片[10]Fig.7 The β-Ga2O3 crystals grown by EFG method under different temperature gradients[10]

β-Ga2O3属于单斜晶系，并且存在(100)、(001)两个开裂面，晶体生长过程中容易出现开裂及孪晶。为此，在晶体生长中，籽晶收颈要细且籽晶收径阶段要长，以减少晶体中的位错。为了避免放肩开裂，放肩过程要平缓，避免大的功率波动。放肩过程中杂晶延伸方向与晶体生长方向差别较大时，杂晶会被逐渐排除。杂晶延伸方向与生长方向相近时，则需采用二次收径的方法排除杂晶。图8为通过缓慢放肩生长的晶体，晶体通透无开裂，质量较高[22]。

图8 缓慢放肩生长的高质量β-Ga2O3单晶照片[22]Fig.8 High quality β-Ga2O3 crystal grown by EFG method with careful shouldering[22]

除此之外，为避免β-Ga2O3放肩过程中的晶体开裂，作者课题组还尝试了使用与模具同宽的籽晶进行晶体生长。该方案生长获得的晶体照片如图9所示，可以看出该方案可以有效防止晶体放肩开裂。但使用宽籽晶生长晶体时，晶体的下种条件较为苛刻，下种时功率调整时间较长，晶体质量与下种水平密切相关[24]。

2.3 β-Ga2O3晶体质量测试

为验证晶体质量，作者课题组首先采用X射线劳埃背反衍射仪测试了晶体不同位置的劳埃衍射斑点。图10为晶体上下部分的劳埃衍射斑点图[17]，从测试结果可知，晶体衍射点清晰对称、一致性好，说明生长的整个晶体单晶性良好。

图10 β-Ga2O3单晶不同位置的劳埃衍射斑点图[17]Fig.10 Laue patterns of β-Ga2O3 single crystal[17]

图11为工艺优化后生长获得β-Ga2O3晶体的高分辨XRD测试结果。(400)面的高分辨XRD摇摆曲线半峰宽为35.6″，曲线平滑对称，说明生长获得的晶体具有较高的结晶质量[22]。

图11 β-Ga2O3单晶(400)面的摇摆曲线[22]Fig.11 Rocking curve of the (400)-faced β-Ga2O3 crystal grown by EFG method

3 晶体加工

3.1 β-Ga2O3衬底机械剥离

半导体晶体加工一般包括定向、切割、研磨及抛光等过程。一般体块单晶只有经过合适的加工工艺处理之后，才能用于后期的薄膜外延及器件制作。β-Ga2O3单晶材料的硬度较高、脆性大、各向异性明显、解理习性严重，传统的加工过程极易导致晶体的解理、破碎。

由于β-Ga2O3晶体(100)面间结合力较弱，具有类二维材料的性质。二维材料可以通过胶带撕拉、超声、离子插层等方式进行剥离，实现纳米级厚度二维样品的制备。β-Ga2O3晶体(100)晶面之间虽然结合力较弱，但是由于化学键的存在，难以通过二维材料常用的方法获得大面积样品。晶体切割时，作者发现β-Ga2O3晶体容易沿(100)面断裂，且端口光滑平整，通过刀片或小锤可以使晶体继续沿着(100)面解理，但是晶体容易断裂，导致晶体面积较小。

为提高晶体剥离成功率，增大晶片面积，作者课题组探索了晶体剥离前的预处理工艺。将晶体样品置于气氛退火炉中进行高温氩气及氧气的退火实验，相对于未退火样品，经过氩气退火处理后，更容易得到大面积样品。图12为剥离获得的β-Ga2O3晶片[24]。

图12 剥离获得的β-Ga2O3晶片照片[24]Fig.12 The epi-ready β-Ga2O3 wafers fabricated by exfoliationmethod[24]

通过AFM测试，理想情况下剥离获得的β-Ga2O3晶片可达原子级平坦，晶片粗糙度可低至0.05 nm以下，如图13所示[24]。晶片通过剥离方式获得，理论上避免了机械研磨过程可能带来的表面损伤，晶片表面晶格完整度更高。

3.2 β-Ga2O3晶体化学机械抛光

为获得其它方向衬底，作者课题组还探索了其它方向晶面的机械抛光工艺及化学抛光工艺。通过采用不同成分和粒度的磨料，可以获得光学显微镜下无划痕的晶片。然而，通过AFM测试，可以看到表面仍然有大量深度5 nm左右的划痕。机械抛光中高硬度磨料不可避免地会在晶体表面产生划痕。为消除划痕，采用化学机械抛光工艺，对晶片进行了进一步处理，获得了表面光滑的单晶衬底，晶片表面粗糙度Ra=0.35 nm，如图14所示[17]。

图14 化学机械抛光(001)面β-Ga2O3晶片AFM表面形貌照片[17]Fig.14 AFM image of (001)-faced β-Ga2O3 wafer polished by CMP method[17]

4 基本性能表征

4.1 β-Ga2O3热学性能

热导率反映了物质传导热量的能力，对器件散热能力有着重要影响，热导率可以通过以公式(4)计算获得:

κ=λρCp

(4)

其中，λ、ρ、Cp分别为晶体的热扩散系数、密度和比热。图15为β-Ga2O3晶体热膨胀、比热、热扩散系数及热导率随温度的变化关系。在测试温度范围内，晶体3个方向的热导率随温度升高逐渐降低，其中b向热导率最大，接近a*向热导率的2倍。在室温下，β-Ga2O3晶体在a*、b、c*3个方向的热导率分别为14.9, 27.9 和17.9 W·m-1·K-1[10]。

半导体材料中热量的传导来源于声子及电子，对于宽禁带半导体材料，当电子浓度不是很高时(小于1019cm-3)，导热过程主要依赖声子完成。导热过程主要依赖声子贡献时，其热导率与温度的关系符合公式(5)[25]：

κ(T)=AT-m

(5)

其中，κ为热导率，A为常数，T为绝对温度，m为1～1.5的常数。图16为双指数坐标系下β-Ga2O3晶体热导率随温度的变化关系，通过拟合获得a*、b、c*3个方向的m分别为0.92，0.94和0.91，数值均接近于1，说明非故意掺杂β-Ga2O3晶体从室温到773 K范围内，热传导主要来自于声子的贡献[10]。

图15 β-Ga2O3晶体热学性质随温度的变化关系[10]Fig.15 Temperature-dependent anisotropic thermal properties of pure β-Ga2O3 crystal[10]

图16 双指数坐标系下β-Ga2O3晶体热导率随温度的变化关系[10]Fig.16 Temperature-dependent anisotropic thermal conductivities of pure β-Ga2O3 crystal in the log scale[10]

4.2 β-Ga2O3晶体基本光电性能

半导体材料的光学性质与电学性质有密切的联系，其中半导体材料在红外波段的透过率可以很好地反映材料内部自由载流子的浓度以及晶体电阻率的大小。自由载流子吸收是一种带内电子跃迁光吸收过程，对应同一能量内载流子从低能态跃迁到高能态的过程，为间接跃迁，需要声子或电离杂质的参与，自由载流子吸收曲线特点为无明显结构，随波长增加而增加[26]。

光学测试具有快速、灵敏、无损的优点，通过建立红外透过光谱与载流子浓度之间的关系，可以实现对特定半导体材料的快速筛选、检测。首先，采用霍尔效应测定3个载流子浓度分别为3.9×1016，2.5×1017及1.3×1018cm-3的样品。测试样品厚度相同，均为0.4 mm。随后对上述3个样品及Mg掺杂半绝缘样品，进行1.5～11 μm波段透过光谱的测试，结果如图17所示。可以看出，不同载流子浓度样品透过光谱差异明显。以此为依据，可以对晶体载流子浓度进行定性判断，也可以用来检验晶体载流子浓度的均匀性，在晶体电学性质测试中具有很好的参考价值[22]。

除此之外，作者课题组详细表征了非故意掺杂晶体硬度、折射率、光学带隙、载流子迁移率、电阻率等参数，如表2所示[10]。基本物理性能的系统表征为后期材料应用奠定了基础。

5 器件研究

基于β-Ga2O3晶体优异的物理性质，β-Ga2O3功率器件应用前景广阔，特别是在超高压、大功率领域具有明显优势，如图18所示[21]。结合高效率、低损耗的优点，β-Ga2O3功率器件将有望应用于电动汽车、高压输电、高速铁路等领域。

图17 β-Ga2O3晶体红外透过率与载流子浓度的关系[22]Fig.17 The relationship of mid-IR transmission and electron concentrations of β-Ga2O3[22]

表2 非故意掺杂β-Ga2O3晶体的基本物理性质[10]

图18 Ga2O3应用前景预测[21]Fig.18 Application prospect of β-Ga2O3[21]

图19给出了目前β-Ga2O3功率器件的研究进展[17]。其中，β-Ga2O3场效应晶体管(field effect transistor, FET)及肖特基二极管(Schottky barrier diode, SBD)是目前研究较多的两种器件结构。在场效应晶体管方面，2016年日本国家信息和通信技术研究所(NICT)获得耐压755 V的金属氧化物场效应晶体管(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)[27]。肖特基二极管方面，NICT获得器件耐压超过1 kV，器件导通电阻仅5 mΩ·cm2[28]，器件性能优异。下面具体介绍两类器件目前的研究情况。

图19 β-Ga2O3功率器件发展历程Fig.19 Development history of β-Ga2O3 power devices

在“日盲”探测方面，目前研究器件类型主要为肖特基(Schottky)型及Metal-Semiconductor-Metal(MSM)型器件。2007年，日本京都大学Takayoshi等通过在蓝宝石上异质外延获得了β-Ga2O3“日盲”探测器，器件响应度0.037 A·W-1，254 nm处外量子效率为18%[29]。2009年，该作者又在单晶衬底上制作了“日盲”探测器，器件在250和300 nm 处响应比达到1.5×104，响应时间9 ms，体现出良好的“日盲”特征[30]。2009年，Suzuki等利用β-Ga2O3单晶制备了肖特基“日盲”紫外探测器，通过研究发现β-Ga2O3单晶基片经过400 ℃的退火后，在260 nm以下的波段，紫外探测器的响应度增加了两个数量级，达到1000 A·W-1[31]。Zou等在纳米片上制作了β-Ga2O3“日盲”探测器，探测器响应速度小于0.3 s，响应度达到851 A·W-1[32]。2017年，美国Alema等制作的垂直型肖特基“日盲”探测器，器件响应波段带内外抑制比达到104，外量子效率达到52%，响应时间毫秒量级，与SiC、GaN相比器件显示了非常好的“日盲”特性，如图20所示[33]。

图20 β-Ga2O3探测器与其他商业化探测器(boston electronics corporation)响应范围比较(a)，Pt-Ga2O3:Ge垂直肖特基光二极管探测器光谱响应(b)[33]Fig.20 Comparison of the photoresponsivity of the β-Ga2O3: Ge photodiode (magenta) with commercial devices (a);spectral response of the Pt-Ga2O3:Ge vertical Schottky photodiode (b)[33]

国内方面，北京邮电大学唐为华课题组对MSM型及肖特基型“日盲”探测器进行大量研究，并获得了高性能器件[34-36]。除此之外，西安电子科技大学、电子科技大学、南京大学等单位也都开展了基于Ga2O3或其异质结构探测器的研究[37-39]。

5.1 β-Ga2O3紫外探测器

图21a为(100)面β-Ga2O3晶片上制作了MSM型探测器件结构示意图。器件中叉指电极通过掩膜版蒸镀获得，包含10 nm的Ti和40 nm的Au，电极指宽为200 μm，间隙为200 μm。图21b为探测器暗电流及254 nm波长的光照下I-V特征曲线。可以看出，在254 nm光照下，探测器电导率明显增大，说明探测器对254 nm光具有明显响应[24]。

图22为不同偏压下，探测器响应度与激发光波长之间的关系。可以看出，在20和40 V偏压下器件响应度曲线形状相似，最大响应波长均为250 nm。器件响应范围为220～280 nm，说明探测器对“日盲”波段敏感并具有较高的光谱选择性。40 V偏压下器件最大响应度达到0.0032 A·W-1。图22b和22c为探测器在10 V偏压下对254 nm光时间响应曲线。可以看出，探测器时间响应曲线为均匀锯齿状，说明探测器稳定性较高。探测器响应时间在不同条件下有不同的定义，此处根据文献将光电流从最大电流10%增加到90%的所用时间，定义为响应时间Tr，反之为衰减时间Td[32]。据此可以得出探测器响应时间Tr=4.4 s，衰减时间Td=0.14 s[24]。

图21 β-Ga2O3 MSM型探测器结构示意图(a)，器件I-V特征曲线(b)[24]Fig.21 Schematic diagram of the β-Ga2O3 single crystal MSM structure photodetector(a), I-V curve of the photodetector(b)

5.2 β-Ga2O3肖特基二极管及性能优化

图23a为Pt/β-Ga2O3肖特基二极管(Schottky barrier diode, SBD)及性能优化结构示意图，器件简称为SBD 1#。器件制作使用晶片为机械剥离获得的(100)面晶片，晶片厚度0.6 mm，有效载流子浓度为2.3×1014cm-3。器件制作时，首先使用BCl3气体对晶体背面进行刻蚀，以提高晶片表面粗糙度并产生表面缺陷，有利于提高其欧姆接触性能。然后使用磁控溅射在晶片背面沉积Ti/Au电极，两者厚度分别为10和230 nm。正面通过光刻技术沉积Pt(20 nm)/Ti(10 nm)/Au(50 nm)电极，电极直径为100，200和300 μm 3种规格。图23b为SBD 1#截面高分辨透射电镜(HRTEM)照片。从图中可以看出衬底晶格排列整齐，上表面平整，说明衬底结晶质量较高，表面光滑。通过分析晶格间距，确认晶片表面为(100)面[40]。

图22 β-Ga2O3 MSM型“日盲”探测器光谱响应度曲线(a)，β-Ga2O3 MSM结构器件时间响应(b), 电流上升下降曲线放大(c)[24]Fig.22 Spectroscopic responsivity of the β-Ga2O3 MSM structure photodetector(a), time response of the β-Ga2O3 MSM structure photodetector(b), enlarged of the current rise and decay process (c)[24]

图23 Pt/β-Ga2O3 SBD结构示意图(a)，器件截面HRTEM照片(b)[40]Fig.23 Schematic of the Schottky barrier diode with Pt/β-Ga2O3/Ti (a), cross-sectional high resolution transmission electron microscope (HRTEM) image of the device (b)[40]

图24为SBD 1#室温正向J-V曲线，插图为半对数坐标系下J-V曲线。根据J-V测试结果，通过热离子发射模型计算[41, 42]对器件性能进行了分析。SBD 1#在室温下肖特基势垒高度Φb=1.39 eV，理想因子n=1.1，接近于1，说明肖特基接触较好。由于晶片载流子浓度较低，并且器件肖特基势垒较高，导致器件具有较高的开启电压Vbi=1.07 V和较大的导通电阻Ron=12.5 mΩ·cm2。器件正向电流密度较小，2 V下的电流密度J@2 V=56 A·cm-2，饱和电流密度Js=2×10-16A·cm-2。器件反向漏电较小，开关比达到1010[40]。

SBD 1#在有效施主浓度约为2.3×1014cm3的晶片上制作，体电阻与欧姆接触电阻较大，导致器件具有较大的导通电阻。宽禁带半导体材料具有较高的击穿场强度，载流子浓度较高时也可以保持较高的耐压性能。为减小器件导通电阻、优化器件性能，作者课题组使用载流子浓度为2×1017cm-3的Sn掺杂β-Ga2O3衬底片进行了SBD 2#的制作，所用衬底片如图25所示[43]。

图24 SBD 1#室温正向J-V曲线[40]Fig.24 Forward J-V curve of SBD 1# at room temperature[40]

图25 载流子浓度为2×1017 cm-3的β-Ga2O3单晶衬底片照片[43]Fig.25 β-Ga2O3 single crystal wafers with the donor concentration of 2×1017 cm-3[43]

SBD 2#采用与SBD 1#相似的制作工艺。正面肖特基电极为Au(40nm)/Ti(10 nm)/Pt(30 nm)，电极直径为150 μm，反面欧姆电极为Ti(20 nm)/Au(40 nm)。图26为SBD 2#与SBD 1#室温J-V曲线比较。可以看出，晶片载流子浓度为2×1017cm-3的SBD 2#导通电阻Ron从12.5降低到2.9 mΩ·cm2。2 V下的电流密度从56提高到421 A·cm-2，器件反向恢复时间仅为20 ns。从导通电阻、电流密度、反向恢复时间来看，器件性能已经达到国际先进水平[43, 44]。与此同时，器件反向耐压性能测试中，200 V未出现击穿现象。说明生长的β-Ga2O3晶体质量较高，同时说明β-Ga2O3作为超宽禁带半导体，可以有效平衡器件耐压与导通电阻之间的矛盾。

图26 SBD 2#与SBD 1#正反向J-V曲线对比[43]Fig.26 Forward and reverse J-V curves of SBD 2# and SBD 1#[43]

6 结 论

β-Ga2O3作为低成本、超宽禁带半导体材料，受到了国内外的广泛关注。作者课题组探索了β-Ga2O3体块单晶的导模法生长工艺，有效克服了高温下原料挥发、分解、凝结及晶体开裂的问题，生长获得了高质量β-Ga2O3单晶。在获得高质量体块单晶的基础上，全面表征了β-Ga2O3晶体的力学、热学、光学及电学性质，为晶体应用奠定了基础。研究了β-Ga2O3衬底片的机械剥离及化学机械抛光工艺，获得了高质量单晶衬底。制作了MSM型“日盲”探测器，器件响应范围为220～280 nm，探测器对“日盲”波段敏感并具有较高的光谱选择性。基于单晶衬底，设计了Pt/β-Ga2O3肖特基二极管。通过优化衬底载流子浓度，获得了耐压大于200 V，导通电阻仅为2.9 mΩ·cm2的肖特基二极管。上述研究表明，β-Ga2O3有望在高耐压、低损耗功率器件及深紫外光电器件中发挥重要应用。

7 展 望

β-Ga2O3作为新型超宽禁带半导体材料，具有物理性能优异、成本低、质量高等优势，在半导体领域获得了广泛关注。但是如何克服晶体生长中的挥发、分解及坩埚腐蚀问题以获得低成本、高质量的β-Ga2O3单晶，仍具有很大挑战。导模法将成为制备大尺寸单晶的优选方案，其也在高导电单晶生长方面具有明显优势，但是晶体生长工艺相对较为复杂。基于β-Ga2O3的功率器件及紫外探测器发展迅速，性能指标不断刷新记录。未来，高耐压、低损耗β-Ga2O3基功率器件及本征“日盲”探测器将展现出优异性能，并有望实现产业应用。此外，与其它宽禁带半导体材料类似，p型β-Ga2O3较难获得。因此，高效p型掺杂及异质结将成为下一步研究的重点。