β-Ga_2O_3单晶腐蚀坑形貌研究

详细介绍了(100)、(010)和(■01)三种不同晶面的β-Ga_2O_3单晶腐蚀坑形貌状态及不同形貌的演变过程。所用β-Ga_2O_3单晶样品均为导模法(EFG)制备,且经过研磨、化学机械抛光(CMP),表面质量良好。以质量分数为85%的分析纯H_3PO_4溶液为腐蚀液,腐蚀时间为1.5 h,腐蚀温度为90℃时,(100)、(010)和(■01)晶面腐蚀坑密度分别约为6.9×10~(4 )cm~(-2)、2.3×10~(4 )cm~(-2)和7.7×10~(4 )cm~(-2)。通过光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察,结果表明(100)面腐蚀坑形状为非对称六边形,(010)面腐蚀坑形貌为菱形,(■01)面腐蚀坑形貌为倾斜的五边形,并确定了(100)面、(010)面、(■01)面的最终腐蚀坑状态,腐蚀坑的不同形状可能与不同晶向β-Ga_2O_3表面状态的耐化学腐蚀差异有关。     

Si/Mg/Fe掺杂β-Ga2O3单晶拉曼光谱表征及分析

β-Ga₂O₃单晶材料由于其优异的性能得到了广泛关注,但是对于其掺杂、能级、电学性能等方面的研究仍然比较欠缺。采用导模法分别制备了非故意掺杂β-Ga₂O₃单晶和Si/Mg/Fe掺杂的β-Ga₂O₃单晶,对样品进行了拉曼光谱测试和电学性能测试,研究不同掺杂元素对拉曼光谱的影响。对β-Ga₂O₃单晶的声子谱进行计算,并通过拉曼光谱测试进行了验证,对掺杂元素的取代位置进行了分析。结果表明,掺杂元素会对拉曼峰强度产生显著影响,Si、Mg、Fe均倾向于取代Ga_ⅡO₆八面体中心的Ga_Ⅱ原子。根据电学性能测试结果,Si掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈n型导电,Mg或Fe掺杂会使β-Ga₂O₃单晶呈半绝缘态。     

热氧化GaN制备的β-Ga2O3基日盲紫外探测器

利用热氧化法将电化学腐蚀制备的多孔GaN薄膜氧化成三维孔隙状β-Ga₂O₃薄膜,分析了多孔GaN薄膜与传统GaN薄膜在氧化机理上的区别,并通过材料表征证明了多孔GaN薄膜能够实现更快的氧化速率。随后将氧化生成的β-Ga₂O₃薄膜制备成MSM型β-Ga₂O₃基日盲紫外探测器,在260nm光照及10V偏压下,器件的响应度为16.9A/W,外量子效率为8×10³%,探测率D*达到了2.03×10¹⁴Jones,能够满足弱光信号的探测需求。此外,器件的瞬态响应具有非常好的稳定性,相应的上升时间为0.75s/4.56s,下降时间为0.37s/3.48s。     

氧分压对磁控溅射β-Ga2O3薄膜结构及光学特性的影响

通过磁控溅射沉积以及高温热退火处理,在5.08 cm(2 inch)c-plane蓝宝石异质衬底上制备出单晶β-Ga2O3薄膜,研究了溅射气氛中氧分压对β-Ga2O3薄膜的晶体结构以及光学特性的影响.通过调控氧分压,获得了具有{-2 01}晶面族X射线衍射峰的β-Ga2O3薄膜,其最大晶粒尺寸达到138 nm,在300～800 nm波段透射率大于80％,最大光学带隙达5.12 eV.最优的薄膜表面粗糙度达0.401 nm,800 nm波长处折射率为1.94.实验结果表明,降低氧分压有利于溅射粒子动能增大、数量增多,从而提升β-Ga2O3薄膜结晶质量、增加薄膜透射率和光学带隙;适当提高氧分压则有利于改善薄膜表面平整度,并提高致密度.     

GaAs衬底上β-Ga2O3纳米点阵薄膜的MOCVD制备

将热氧化与MOCVD工艺相结合,总结了一种在本征GaAs衬底上进行β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜制备的工艺,该工艺不涉及金属催化剂与复杂刻蚀,工艺更为简单。使用扫描电子显微镜对所制备薄膜的形貌特征进行了表征与分析,发现所制备的纳米点阵薄膜呈现五方的柱状结构。对所制备样品进行了X射线衍射、拉曼振动、光致发光谱的测试,结果表明薄膜的晶体质量随着MOCVD生长温度与Ⅵ/Ⅲ比的提高而得到优化。使用有限元法（FEM）仿真验证了β-Ga₂O₃纳米点阵薄膜制备的高陷光特点。     

导模法生长大尺寸高质量β-Ga2O3单晶

以高纯Ga2O3为原料,使用自主设计的单晶生长炉,采用导模(EFG)法生长了2英寸(1英寸=2.54 cm)未掺杂的高质量β-Ga2O3单晶.研究了保护气氛对抑制Ga2O3原料高温分解速率的影响,对制备的β-Ga2O3单晶的晶体质量、位错和光学性能进行了测试和表征.结果表明,CO2保护气氛能够极大地抑制Ga2O3材料的高温分解,当CO2生长气压为1.5×105 Pa时,Ga2O3的平均分解速率低于1 g/h.(100)面β-Ga2O3单晶的X射线衍射(XRD)摇摆曲线测试结果表明,其半高宽低至29 arcsec,表明晶体具有较高的质量;对晶体(100)面进行了位错腐蚀,结果显示其位错密度较低,约为4.9×104 cm-2;傅里叶变换红外光谱仪测试结果显示,β-Ga2O3单晶在紫外、可见光透过率达到80％以上.     

室温下β-Ga2O3纳米柱的脆韧转变研究

β-Ga₂O₃的力学性能关系到相关电子器件的制造、封装以及应用,然而目前关于β-Ga₂O₃单晶的力学变形机制研究还相对匮乏。本文研究了(100)β-Ga₂O₃单晶在压应力作用下的力学行为,发现其极易沿着(100)B面脆断,并计算得到该材料的断裂应力范围为314.1～615.1 MPa。进一步揭示了不同长径比、不同直径对β-Ga₂O₃纳米柱力学变形行为的影响,实验结果表明：当长径比>2时,β-Ga₂O₃纳米柱在不同直径下均沿着(100)B面发生脆断;当长径比<2且直径<200 nm时,(100)β-Ga₂O₃发生脆性向塑性的转变,表现为先沿着■面发生滑移,之后沿着(100)B面断裂。最后,讨论了晶体学取向对于小尺寸β-Ga₂O₃塑性的影响,研究结果为理解β-Ga     

基于超宽β-Ga2O3微米带的日盲光电探测器研究

氧化镓的禁带宽度接近5 eV,是一种极具前景的日盲紫外探测半导体材料。基于碳热还原法生长高质量β-Ga₂O₃微米带制备出MSM(Metal-Semiconductor-Metal)结构光电导紫外探测器,研究了不同的结构对光电器件性能的影响。结果表明等间距叉指电极光电探测器相较于两端电阻型光电探测器有更优异的性能。在10 V/254 nm紫外光照下,其响应度、外部量子效率、比探测率和光响应时间等性能提高明显,其中光电流(I_photo)有接近2个数量级的提升,且-2 V附近光暗电流比值增大至2.29×10⁵。随着叉指电极间距从50μm缩减至20μm,器件I_photo变大,其物理机制归因于阳极附近的耗尽层占据电极间微米带的比例增大引发了更高的光生载流子输运效率。     

增强型β-Ga2O3/4H-SiC异质结VDMOS的设计与研究

由于β-Ga₂O₃材料难以形成P型掺杂,目前β-Ga₂O₃功率器件大多为无结耗尽型。为了解决β-Ga₂O₃器件难以形成增强型的问题,提出了一种具有β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结的纵向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管(VDMOS)。添加P型4H-SiC后,利用形成的PN结的单向导通性得到了正阈值电压,实现了增强型器件。使用Sentaurus TCAD仿真软件模拟了器件结构并研究了其电学特性,通过调节SiC厚度、SiC沟道浓度、外延层厚度和外延层浓度四个重要结构参数,对器件的功率品质因数进行优化设计。优化后的器件具有1.62 V的正阈值电压、39.29 mS/mm的跨导以及5.47 mΩ·cm²的比导通电阻。最重要的是器件的关态击穿电压达到了1838 V,功率品质因数高达617 MW/cm²。结果表明,该β-Ga₂O₃/...     

磁控溅射氧氩体积流量比对β-Ga2O3薄膜的影响

利用射频磁控溅射在c面单晶蓝宝石(Al₂O₃)衬底上制备Ga₂O₃薄膜,研究了溅射过程中通入氧气与氩气的体积流量比对经过异位高温后退火处理得到的β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。利用X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)对薄膜进行表征,结果表明β-Ga₂O₃薄膜沿着■晶面择优生长,具备较好的单一取向性。在氧氩体积流量比约为1∶20时,薄膜的结晶性能相对较好、表面晶粒分布较均匀、均方根粗糙度较小、晶粒尺寸较大。此外,吸收光谱表征结果表明,不同氧氩体积流量比下制备得到的β-Ga₂O₃薄膜的带隙变化范围为4.53～4.64 eV,在较低氧氩体积流量比下制备的β-Ga₂O₃薄膜表现出较优的光学性质,在波长200～300 nm内具有较好的吸收特性,表现出良好的深紫外光学特性。     

CVD法制备的高结晶质量二维β-Ga2O3薄膜性质研究

为了能够得到高质量的薄膜,降低实验成本,通过化学气相沉积(CVD)方法以GaTe粉作为Ga源在云母衬底上合成了β-Ga₂O₃薄膜。通过改变生长温度、载气和生长时间得到高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,并通过X射线衍射(XRD)和拉曼光谱进行证实。XRD结果显示,薄膜的最佳生长温度为750℃。对比不同载气下合成的β-Ga₂O₃薄膜可知,Ar气是生长薄膜材料的最佳环境。为了实现高结晶质量的β-Ga₂O₃薄膜,在Ar气环境下改变薄膜的生长时间,XRD结果发现,生长时间20 min的薄膜具有高结晶质量。最后,将其转移到300 nm厚氧化层的Si/SiO₂衬底上,并通过原子力显微镜测试,证实了16 nm厚的二维Ga₂O₃薄膜。     

肖特基型β-Ga2O3日盲紫外光电探测器

本文制备并研究了肖特基型β-Ga₂O₃日盲紫外光电探测器.结果表明：通过脉冲激光沉积外延生长的β-Ga₂O₃的（-201）晶面 X射线衍射峰半高宽仅为36 arcsec,表现出了高的晶体质量;光暗条件下的I-V曲线显示所制备的器件具有明显的肖特基整流特性,在-5V偏压下暗电流保持在0.1nA量级,正向导通电压为1.5V;光电流谱显示器件在240nm处存在显著的峰值响应,并在260nm左右呈现陡峭的截止边,日盲紫外的带内带外抑制比达到1000.同时,也研究了不同掺杂对Ga₂O₃晶体质量的影响.     

超宽禁带半导体α-Ga2O3肖特基二极管仿真研究

氧化镓(Ga₂O₃)作为一种新型的超宽禁带半导体材料,与目前常用的半导体材料SiC和GaN相比,具有更大的禁带宽度、更高的击穿场强等优良特性。设计了一种基于α-Ga₂O₃的垂直型肖特基二极管(SBD),采用场板终端结构降低阳极边缘电场强度,研究了不同绝缘材料下阳极附近的电场分布,并探讨了场板结构与长度对其击穿特性的影响。仿真结果表明,在选取HfO₂作为α-Ga₂O₃垂直型SBD场板结构的绝缘材料时,场板结构可以增大该器件的反向击穿电压,最大反向击穿电压可达约1 100 V,对于现实中制备α-Ga₂O₃ SBD具有非常重要的参考意义。     

氧分压对脉冲激光沉积β-Ga2O3-δ薄膜光学性能的影响

在不同氧分压下,用脉冲激光沉积法在c-蓝宝石衬底上制备了高质量β-Ga₂O_3?δ薄膜。通过X-射线衍射、远红外反射光谱、X-射线光电子能谱和紫外-可见-近红外透射光谱系统地研究了β-Ga₂O_3?δ薄膜的晶格结构、化学计量比和光学性质。X-射线衍射分析表明,所有沉积的薄膜以(-201)晶向方向生长。透射光谱显示薄膜在255 nm以上的紫外-可见-近红外波段具有80%以上的高透明度,同时在255 nm附近有一个陡峭的吸收边。此外,利用Tauc-Lorentz(TL)色散函数模型和Tauc公式,我们提取了β-Ga₂O_3?δ薄膜的光学常数和光学直接带隙。更进一步,我们通过理论计算解释了氧气分压对β-Ga₂O_3?δ薄膜光学性质的影响。     

Electronic structure and optical properties of F-doped β-Ga2O3 from first principles calculations

The effects of F-doping concentration on geometric structure, electronic structure and optical property of β-Ga₂O₃ were investigated. All F-doped β-Ga₂O₃ with different concentrations are easy to be formed under Ga-rich conditions, the stability and lattice parameters increase with the F-doping concentration. F-doped β-Ga₂O₃ materials display characteristics of the n-type semiconductor, occupied states contributed from Ga 4s, Ga 4p and O 2p states in the conduction band increase with an increase in F-doping concentration. The increase of F concentration leads to the narrowing of the band gap and the broadening of the occupied states. F-doped β-Ga₂O₃ exhibits the sharp band edge absorption and a broad absorption band. Absorption edges are blue-shifted, and the intensity of broad band absorption has been enhanced with respect to the fluorine content. The broad band absorption is ascribed to the intra-band transitions from occupied states to empty states in the conduction band.     

双反应源气体HVPE生长α-Ga2O3的仿真优化研究

使用数值模拟的方法,对氢化物气相外延(HVPE)生长α-Ga2O3材料的温度和反应源气流进行了优化.区别于传统的在反应腔内HCl或Cl2携带Ga源的结构,使用了外置Ga源的方法,可以较准确地调整GaCl/GaCl3的组分占比、摩尔分数和浓度.另外,使用分子模拟软件Gaussian计算得到GaCl3与O2反应的活化能,通过实验数据拟合得到α-Ga2O3相变为β-Ga2O3的反应活化能.在此基础上,对生长温度、GaCl/GaCl3的组分占比进行了模拟,并给出了 α-Ga2O3的优化生长条件.     

β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用现状北大核心

单斜晶系氧化镓（β-Ga2O3）超宽带半导体材料具有优良的电学、光学特性以及较高的物理化学稳定性,在大功率器件、紫外探测器以及气体传感器等技术领域具有巨大的应用前景,近年来已成为国际研发的热点。概述了β-Ga2O3半导体材料的特性优势。综述了β-Ga2O3在功率半导体器件、紫外探测器、气体传感器、衬底材料以及GaN器件栅介质领域的研发和应用现状。最后,分析了β-Ga2O3材料在半导体技术领域的应用前景,指出大功率半导体器件领域和日盲深紫外探测器领域将是未来发展的重要方向。     

磁控溅射工作压强对β-Ga2O3薄膜特性的影响

作为新兴的第三代半导体材料,β-Ga₂O₃高质量薄膜是制备高效Ga₂O₃基器件的基础,β-Ga₂O₃薄膜的制备、表征及光电特性的研究具有深刻的意义。通过分析研究磁控溅射工作压强变化对薄膜性能和形貌的影响,为制备更高质量的薄膜提供了一种新的方法。基于射频磁控溅射方法,在单晶c面蓝宝石(Al₂O₃)衬底上沉积生长Ga₂O₃薄膜,并进行900℃、90min的氮气退火处理,以得到β-Ga₂O₃薄膜。沉积过程不改变其他实验参数,仅改变工作压强,研究工作压强对β-Ga₂O₃薄膜特性的影响。X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)表征结果显示,β-Ga₂O₃薄膜具有不同取向的衍射峰,沿着■晶向择优生长,薄膜呈多晶状态。适当增大工作压强可使β-Ga<...     

Bi2O3对Al2O3-ZnO-Bi2O3-B2O3低熔玻璃结构和性能的影响

采用传统的熔淬技术制得了低熔Al2O3-ZnO-Bi2O3-B2O3玻璃,研究了玻璃结构、玻璃特征温度、线膨胀系数(αl)以及密度随Bi2O3含量的变化关系。结果表明:随着Bi2O3含量的增加,玻璃网络中[BO4]取代了部分[BO3],玻璃网络中出现Bi—O结构,玻璃中非桥氧的数量也逐渐增多;软化温度(ts)、玻璃化温度(tg)都是先上升后下降,而线膨胀系数先减小后逐渐增大,玻璃密度先是线性增加,然后增加趋势变大。     

超宽禁带半导体Ga2O3微电子学研究进展

半导体材料Ga2O3是继宽禁带半导体材料SiC/GaN之后新兴的直接带隙超宽禁带氧化物半导体,其禁带宽度为4.5~4.9eV,击穿电场强度高达8MV/cm(是SiC及GaN的2倍以上),物理化学稳定性高,在发展下一代电力电子学和固态微波功率电子学领域具有较大的潜力。自2012年第一只Ga2O3场效应晶体管诞生以来,Ga2O3微电子学的研究呈现快速发展态势。本文综述了β-Ga2O3单晶材料和外延生长技术以及β-Ga2O3二极管和β-Ga2O3场效应管等方面的研究进展,介绍了β-Ga2O3材料和器件的新工艺、新器件结构以及性能测试结果,分析了相关技术难点和创新思路,展望了Ga2O3微电子学未来的发展趋势。