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引言：氧化镓(Ga2O3)是一种新型半导体材料，具有超宽带隙、高击穿等优点。此外，它还具有较强的电场和较大的Baliga的性能指标(BFOM)，因此是下一代高功率的有希望的候选产品，器件包括肖特基势垒二极管(SBD)。

随着电力、工业控制、汽车电子和消费电子行业的快速发展，对高性能功率半导体器件的需求巨大 。宽 带 隙 和 超 宽 带 隙 半 导 体 材 料 可 以 满 足 这 一 需 求 [1,2]。 在 Ga2O3 单 晶 的 五 种 结 构 中 ， 单 斜 β -Ga2O3是 最 稳 定 的 ， 与 传 统 Si和 后 来 开 发 的 SiC和 GaN材 料 相 比 ， 它 具 有 超 宽 带 隙 (Eg~4.8 eV)和 极 高 的 击 穿 电 场 (Ebr~8 MV cm− 1)。 因 此 ， β -Ga2O3表 现 出 非 常 大 的 Baligas优 值 图 (BFOM = ε μ E 3b;ε 为 相 对 介 电 常 数 ， μ 为 电 子 迁 移 率 )。 BFOM是 评 估 材 料 是 否 适 合 功 率 器 件 应 用 的 重 要 标 准 [3-11]。 此 外 ， 对 于 单 晶 β -Ga2O3底 物 的 生 长 ， 在 常 压 下 有 简 单 、 低 成 本 和 可 批 量 生 产 的 熔 体 生 长 方 法 ， 如 浮 动 区 (FZ)[12,13]和 边 缘 定 义 薄 膜 生 长 (EFG)[14-17]。 这 是 Ga2O3在 高 质 量 单 晶 生 长 方 面 ， 与 SiC、 GaN相 比 的 又 一 优 势 。 因 此 ， β -Ga2O3是 肖 特 基 势 垒 二 极 管 (SBD)[18-24]和 金 属 氧 化 物 半 导 体 场 效 应 晶 体 管 (MOSFET)[25-29]等 下 一 代 大 功 率 半 导 体 器 件 很 有 前 景 的 候 选 器 件 。

氧化镓半导体的物理性质

氧化镓是一种新型的氧化物半导体材料，但它有着悠久的研究历史。对氧化铝-Ga2o3-H2O体系中相平衡的研究可以追溯到1952年，R. Roy等人确定了氧化镓多态性的存在及其稳定性关系[30]。1965年，H. H. Tippins等人研究了β-Ga2O3能带边的光吸收和光导电性，确定了其能带隙值为4.7 eV [6]。20世纪90年代，提出了一种研究氧化镓体单晶熔融生长和氧化镓薄膜外延生长的方法。近5年来，由于其特殊的性能和高质量、大尺寸的单晶基板的成功发展，氧化镓材料引起了广泛的研究兴趣。到目前为止，人们已经发现了氧化镓的五种晶体相，即α、β、γ、δ和ε相。这五个相之间的转换关系如图1 [30]所示。单斜相β-Ga2O3具有最好的热稳定性，而其他四个相均为亚稳态，在高温下容易转化为β-Ga2O3。因此，目前大多数研究都集中在β-Ga2O3上。最近的一些研究也发现，其他相呈现出一些β相所没有的特殊材料性质。例如，α-Ga2O3具有与蓝宝石（氧化铝）相似的刚玉晶体结构，因此在现有的氧化铝单晶基底上外延生长高质量的α-Ga2O3单晶膜相对容易。六角相ε-Ga2O3是第二稳定相，表现出较强的自发极化效应，有利于在异质结界面[31]中形成高密度的二维电子气体，类似于AlGaN/GaN结的情况。近年来，由于大尺寸的β-Ga2O3单晶衬底的成功生长和其最佳的稳定性，到目前为止，对β-Ga2O3的研究远远超过了目前的研究。

横向CaN功率器件

大多数正在开发的氮化镓功率器件使用横向结构，因为这种器件结构用于高电子迁移率晶体管（HEMTs）。一般来说，基于横向结构的设备不适用于高功率开关应用。由于击穿电压由栅极-漏极距离决定，为了达到高击穿电压，该距离应该很大，从而导致高接通电阻。然而，氮化镓的独特特性允许即使在高电压下也能实现低电阻。横向氮化镓功率器件基于AlGaN/GaN异质结构，其中形成二维电子气体（2DEG）。AlGaN和氮化镓界面上的高密度2DEG产生低电阻漂移区，这导致器件在保持低击穿电压的同时具有低电阻。最高预期横向氮化镓装置的目标击穿电压约为1200 V。这种横向装置的另一个独特特性是它们非常高的工作速度。该漂移区域是使用未掺杂的AlGaN和氮化镓层来制造的，这将产生一个较低的反馈电容，使高速调制成为可能。低电阻和反馈电容有助于电力电子模块的高效率和紧凑性。基本横向氮化镓器件结构如图1 (a).所示多年来，人们一直使用一种简单的AlGaN/GaN异质结构，但最近的结构是GaN/AlGaN/AlN/GaN/缓冲液/底物。顶部的氮化镓层（2∼5nm厚）降低了表面态的密度，并有效地抑制电流的坍塌，这将在后面讨论。在AlGaN/GaN界面上插入一层薄薄的AlN（1∼2nm厚）层。这提高了2DEG中的电子迁移率，因为它产生了一个势阱，其中电子被更强的限制，并减少了合金散射。用于这种器件的基底通常是碳化硅或Si。当然，碳化硅具有较低的导热性和较高的稳定性，是功率器件的最佳选择。

氧化镓用于超高功率整流器

在宽带隙半电路上制造的肖特基整流器具有快速的开关速度，对提高感应电机控制器和功率控制的效率，以及低前向电压降和高回火可操作性非常重要。在边缘薄膜生长（EFG）生长的导电基板上制造的垂直几何整流器在高反向击穿电压（VB > 1 kV）和低RON方面显示出了良好的性能，从而产生了良好的功率优点（VB 2 /RON）。140-158如果图6中这些区域的最大电场，则由冲击电离过程引起的电击穿将优先发生在接触外围。（上）β-Ga2o3中双电离镓空位的模型。一个未配对的自旋（孔）位于pz轨道的三倍氧离子O（II）上，靠近六倍Ga（II）位置的镓空位（虚线正方形）。分解的超精细相互作用与标记为GaA (I)和GaB (I)的两个等效镓离子。边缘终止技术的使用产生了电场拥挤和耗尽层的横向扩散。由于该方法在制造过程中直接包含，因此广泛应用于电力器件设计中。有许多常见的边缘终止技术，最常见的是场板边缘终止，它使用肖特基金属在边缘的电介质层上的延伸，以提高反向阻塞能力。由于缺乏p掺杂能力，需要使用其他p型氧化物集成在结构中，其他方法如p保护环或结终止延伸在氧化镓中不可能实现。

β-Ga2O3的场效应晶体管

综上所述，其物理性质表明，β-Ga2O3在高压和高频功率器件中具有广阔的应用前景。目前，由于没有p型掺杂，研究人员主要关注两种单极器件，即肖特基势垒二极管（SBD）和场效应晶体管（FET）。场效应晶体管是传统的电源开关装置，源漏极电阻由栅电场调制的电源开关装置，主要用于转换器和逆变器。基于β-Ga2O3的场效应晶体管的研究过程如图3所示。晶体管从MESFET[12,52]发展到平面MOSFET，然后发展到具有终端结构和垂直结构的性能良好的器件。由于在β-Ga2O3中没有反转层，大多数早期的晶体管在耗尽模式下工作。然后，研究人员利用界面状态下的损耗层来实现增强模式器件。最近，击穿电压为1 kV的垂直晶体管已被报道为[14]。以下部分将介绍晶体管的典型工作。2012年，石等人（来自国家信息通信技术研究所（NICT））在分子束（MBE）外延层上制造了金属半导体场效应晶体管（MESFET），在（010）上掺杂（7.0×1017厘米晶体管−3），如图4(a)[12]所示。以Pt/Ga2O3肖特基势垒作为栅极结构，该晶体管的击穿电压达到250 V，严重的离态泄漏电流为3 μA，导致开断比为104。因此，在2013年，使用20 nm氧化铝作为栅极介质来解决这个问题，如图4(b)和[11]所示，源极和漏极区域被Si高掺杂（5.0×1019cm−3）以改善欧姆接触。该设备直到370 V才发生故障，开关比达到1010。

β-Ga2O的体晶生长

除了上述优异的材料性能外，β-Ga2O3与其他宽带隙工业材料碳化硅和氮化镓相比，具有高结构质量和生产成本较低的主要技术优势。碳化硅散装的增长主要是由物理蒸汽运输非常低的增长率在高温（> 2000°C），导致基质成本非常高，而氮化镓散装晶体生长非常昂贵和通常低吞吐量技术，如钠通量方法，氢化物气相外延和单热技术。另一方面，大块β-Ga2O3单晶已经成功地从熔体中生长，大晶体尺寸、高结构质量和可接受的生产成本，在经典或复合半导体的一些应用中具有竞争力。此外，半导体和半绝缘的β-Ga2O3晶体都可用的。本节讨论了应用于生长β-氧化镓的大块单晶的熔体生长的特殊性。在现有的五种多态性中，只有β相是稳定的。为了获得较大的晶体尺寸和较高的结构质量，熔体生长方法是最合适的，特别是在工业规模上。一些熔体生长技术已经成功地用于增长体积β-氧化镓单晶，如[19]，光学浮动区（OFZ）[20–30]，垂直布里奇曼（VB）/垂直梯度冻结（VGF）[31–33]，边缘定义薄膜美联储增长（EFG）[34,35]和图1。β-Ga2O3的单斜单元单元和相对晶格参数。图2。β-Ga2O3和其他主要半导体在单极功率中的电阻与击穿电压的理论极限。转载自参考文献。[8]，经AIP出版公司许可。M. Baldini等。半导体加工中的材料科学xxxxxx6-39方法。虽然通量[40–42]和气相[43–50]方法已经证明了β-Ga2O3，但晶体尺寸太小，因此这里不考虑它们。在60年代的[19]中，首次演示了熔体生长的大块β-Ga2O3单晶。较小的晶体尺寸（直径1厘米）和不太好的结构质量，再加上经典和复合半导体的快速发展，使β-Ga2O3的发展延迟了近30年。β-氧化镓的重新发现是在20世纪末，当时使用了OFZ方法，这是一种无坩埚的方法。OFZ法的典型晶体直径小于1 cm，但为1英寸。直径晶体也显示了[25]。良好的结构质量和材料可用性使对电气和光学性能和衬底制备的深入研究成为可能。同时，首次使用了晶体直径为1 cm的卓克拉斯基法[36]，10年后发展到2 cm [37,38]和2 in。直径[33,38]。在卓克拉尔斯基法中使用了红外坩埚。与卓克拉斯基方法平行，EFG方法在早期[34]产生了50×75×3 mm3的晶体板，最近产生了60×55×18 mm3 [35]。

氧化钾的高功率电子产品

氧化镓（氧化镓）作为一种很有前途的半导体材料，用于射频、电力电子和传感器等现有技术的应用，因为其优良的材料特性，如大带隙、良好控制的掺杂和大型廉价基板的可用性。单斜β-Ga2O3的体晶体可以使用熔体生长技术生长，与通常使用蒸汽生长技术生长的氮化镓和碳化硅基底相比，这确保了大型、均匀的基底，每个晶片的成本相对较低。β-Ga2O3的一个大的关键领域有利于提高高压整流器和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的直流性能，并促进进一步的横向缩放，以提高射频性能。如今，β-Ga2O3由于其适用于高功率电子学的材料特性，是全球研究人员选择的潜在材料之一。它分为α、β、γ、α、δ、ε五个不同的阶段。其中，单斜β-Ga2O3是最稳定和技术相关的[1]。β-Ga2O3的晶体结构具有对称中心，但缺乏极性、压电性、铁电性等特殊性质。[2].β-Ga2O3具有4.4-4.9eV[3–5]的超宽带隙（如），使其适用于深UVTCO（透明导电氧化物）和HEMT应用的缓冲层。良好的结构质量和材料可用性使对电气和光学性能和衬底制备的深入研究成为可能。同时，首次使用了晶体直径为1 cm的卓克拉斯基法[36]，10年后发展到2 cm [37,38]和2 in。直径[33,38]。在卓克拉尔斯基法中使用了红外坩埚。与卓克拉斯基方法平行，EFG方法在早期[34]产生了50×75×3 mm3的晶体板，最近产生了60×55×18 mm3 [35]。氧化镓已经取得了显著的进展迹象：蓝宝石上的肖特基二极管，击穿电压>2kV，E。

β-Ga2O3垂直异质结势垒肖特基二极管

研究了高性能b-Ga2O3垂直异质结势垒肖特基（HJBS）二极管，并进行了反向泄漏机理的研究。在HJBS构型中，NiO/b-Ga2O3 p-n异质结和p-NiO场限制环（FLRs）是通过在室温下使用反应性溅射技术实现的，而没有故意的蚀刻损伤。根据温度相关的电流-电压特性，HJBS二极管的反向泄漏机制为通过能级为EC-0.72 eV的局域阱的浦弗伦克尔发射。在HJBS中，均匀的FLR宽度/间距为2 lm，最大击穿电压（BV）为1.89 kV，特定的开启电阻（Ron，sp）为7.7 mX cm2，使Baliga的高优点（FOM，BV2 /Ron，sp）为0.46 GW/cm2。综上所述，通过在不进行任何蚀刻工艺的情况下，在b-Ga2O3上进行选择性面积生长，我们证明了以p-NiO FLRs终止的高效b-Ga2O3垂直HJBS二极管。HJBS二极管的反向泄漏机制被确定为通过能级为EC-0.72 eV的局域阱态的普尔-弗伦克尔发射（PFE）。目前最先进的BV和FOM是通过集成电管理和FLR和p-n异质结来抑制电场拥挤效应的结果。这项工作验证了其在实现双极器件设计中提供高性能b-Ga2O3功率整流器以克服p型b-Ga2O3的困难方面的巨大潜力。

 

结论：目前，氧化镓SBD仍处于早期阶段。随着制造工艺的不断发展，器件结构变得越来越复杂。同时，单晶基底和外延薄膜质量的提高也显著推动了器件的性能。然而，到目前为止，氧化镓SBD的开发过程与之前的Si SBD和碳化硅SBD非常相似。此外，对氧化镓材料固有特性的研究工作仍然很少。但我们认为，基于其4.7-4.9eV的超宽带隙和器件结构的发展，氧化镓将更好地展示其独特的应用价值，这需要研究者的共同努力。虽然氮化镓电源器件的历史比Si和碳化硅电源器件要短，但氮化镓器件的性能正在迅速提高。对Si、碳化硅、氮化镓单极器件的理论性能如图9所示，以及对Si绝缘栅极双极晶体管（IGBT）[33]的理论性能。同时，还绘制了碳化硅和氮化镓功率设备的报告数据。可以看出，Si-IGBT仍然是一个强大的竞争者。许多横向氮化镓设备的性能接近碳化硅极限，而一些较低。这表明氮化镓的高电位在1 kV以下特别明显。然而，氮化镓电源设备目前仅接近实际应用，如本报告所述，仍存在几个问题。我们希望，对解决这些问题的方法的研究将很快取得成果。需要更多的关注优化缓冲层和晶体质量氧化镓和相关异质结构，这应该强调使用MBE和MOCVD增长方法允许更好的化学计量控制和更高的纯度，也允许利用高质量的散装基质。随着更好的接触、图案化和掺杂过程的发展，器件的性能将得到提高。

参考文献：

1.Y. Kokubun, K. Miura, F. Endo, and S. Nakagomi, Appl. Phys. Lett. 90, 031912 (2007). 

2 T. Oshima, T. Okuno, N. Arai, N. Suzuki, S. Ohira, and S. Fujita, Appl. Phys. Exp. 1, 011202 (2008). 

3 K. Shimamura, E. G. Vı´llora, K. Domen, K. Yui, K. Aoki, and N. Ichinose, Jpn. J. Appl. Phys. 44, L7 (2005). 

4 P.-C. Chang, Z. Fan, W.-Y. Tseng, A. Rajagopal, and J. G. Lu, Appl. Phys. Lett. 87, 222102 (2005). 

5 K. Matsuzaki, H. Yanagi, T. Kamiya, H. Hiramatsu, K. Nomura, M. Hirano, and H. Hosono, Appl. Phys. Lett. 88, 092106 (2006). 

6 B. J. Baliga, J. Appl. Phys. 53, 1759 (1982). 

7 E. G. Vı´llora, K. Shimamura, Y. Yoshikawa, K. Aoki, and N. Ichinose, J. Cryst. Growth 270, 420 (2004). 

8 H. Aida, K. Nishiguchi, H. Takeda, N. Aota, K. Sunakawa, and Y. Yaguchi, Jpn. J. Appl. Phys. 47, 8506 (2008). 

9 L. Dong, Y. Q. Liu, M. Xu, Y. Q. Wu, R. Colby, E. A. Stach, R. Droopad, R. G. Gordon, and P. D. Ye, IEDM Tech. Dig. 26.4.1 (2010). 

10.M. Asif Khan, J. N. Kuznia, A. R. Bhattarai, and D. T. Olson, Appl. Phys. Lett. 62, 1786 (1993). 

11.S. C. Binari, L. B. Rowland, W. Kruppa, G. Kelner, K. Doverspike, and D. K.Gaskill, Electron. Lett. 30, 1248 (1994).

37. Becker F, Krummel C, Freiling A, Fleischer M, Kohl C (1997) Decomposition of methane on polycrystalline thick films of Ga2O3 investigated by thermal desorption spectroscopy with a mass spectrometer. Fresenius J Anal Chem 358(1–2):187–189 

38. Schwebel T, Fleischer M, Meixner H, Kohl CD (1998) Co-sensor for domestic use based on high temperature stable Ga2O3 thin films. Sens Actuators B Chem 49(1–2):46–51 

39. Ogita M, Higo K, Nakanishi Y, Hatanaka Y (2001) Ga2O3 thin film for oxygen sensor at high temperature. Appl Surf Sci 175(01):721–725 

40. Bae J, Kim HW, Kang IH, Yang G, Kim J (2018) High breakdown voltage quasi-two-dimensional β-Ga2O3 field-effect transistors with a boron nitride field plate. Appl Phys Lett 112(12):122102 

41. Zhou H, Si M, Alghamdi S, Qiu G, Yang L, Ye P (2017) High performance depletion/enhancement-mode β-Ga2O3 on insulator (GOOI) field-effect transistors with record drain currents of 600/450 mA/mm. IEEE Electron Device Lett 38(1):103–106 epitaxy,” Appl. Phys. Lett. 67(2), 253–255 (1995). 

28N. Fujimoto et al., “Growth of high-quality AlN at high growth rate by hightemperature MOVPE,” Phys. Status Solidi C 3(6), 1617–1619 (2006). 

29F. A. Faria, K. Nomoto, Z. Hu, S. Rouvimov, H. G. Xing, and D. Jena, “Low temperature AlN growth by MBE and its application in HEMTs,” J. Cryst. Growth 425, 133–137 (2015). 

30J. L. Benchimol, M. Juhel, M. Petitjean, and A. Ancilotti, “High growth rate of III–V compounds by free carrier gas chemical beam epitaxy,” J. Vac. Sci. Technol., B 13(1), 55–58 (1995). 

31A. Freundlich, F. Newman, M. F. Vilela, C. Monier, L. Aguilar, and S. Street, “Development of GaAs space solar cells by high growth rate MOMBE/CBE,” J. Cryst. Growth 209(2-3), 481–485 (2000).Millan J, Godignon P, Perpina X, et al. A survey of wide bandgap power semiconductor devices. IEEE Trans Power Electron, 2014, 29(5), 2155 [1] 

Baliga B J. Fundamentals of power semiconductor devices. New York: Springer Science & Business Media, 2010 

[2] Chow T P, Omura I, Higashiwaki M, et al. Smart power devices and ICs using GaAs and wide and extreme bandgap semiconductors. IEEE Trans Electron Devices, 2017, 64(3), 856 

[3] Fujita S. Wide-bandgap semiconductor materials: For their full bloom. Jpn J Appl Phys, 2015, 54(3), 030101 

[4] Higashiwaki M, Sasaki K, Kuramata A, et al. Development of gallium oxide power device. Phys Status Solidi A, 2014, 211(1), 21 

[5] Higashiwaki M, Sasaki K, Murakami H, et al. Recent progress in Ga2O3 power devices. Semicond Sci Technol, 2016, 31(3), 034001 

[6] Ueda N, Hosono H, Waseda R, et al. Synthesis and control of conductivity of ultraviolet transmitting β-Ga2O3 single crystals. Appl Phys Lett, 1997, 70(26), 3561 

[7] Víllora E G, Shimamura K, Yoshikawa Y, et al. Large-size β-Ga2O3 single crystals and wafers. J Cryst Growth, 2004, 270(3/4), 420 

[8] Aida K N H, Takeda H, Aota N, et al. Growth of β-Ga2O3 single crystals by the edge-defined, film fed growth method. Jpn J Appl Phys, 2008, 47(11), 8506