陶緒堂：氧化鎵單晶生長技術(shù)

在最新出版的《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》2019年第1期上，山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陶緒堂教授著重介紹了氧化鎵晶體生長技術(shù)，指出導(dǎo)模法（EFG）由于可實(shí)現(xiàn)大的晶體尺寸、低的缺陷密度、大的生長速度、以及高的晶體質(zhì)量，被認(rèn)為是未來大批量生產(chǎn)氧化鎵單晶的最佳工藝之一。

氧化鎵材料簡介

β-Ga2O3晶體是一種新型的第四代直接帶隙超寬禁帶半導(dǎo)體，相比于第三代半導(dǎo)體，它具有禁帶寬度更大、吸收截止邊更短、生長成本更低等突出優(yōu)點(diǎn)，成為超高壓功率器件和深紫外光電子器件的優(yōu)選材料之一，主要物理性能如表1所示。由于其在軍事、能源、醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，近年來，氧化鎵材料及器件的研究與應(yīng)用，呈現(xiàn)出顯著的加速發(fā)展勢頭，是當(dāng)前德國、日本、美國等國家的研究熱點(diǎn)和競爭重點(diǎn)。

表1 β-Ga2O3晶體的主要物理性能

高溫熔體技術(shù)生長氧化鎵材料

β-Ga2O3晶體生長成本較低，可以采用高溫熔體技術(shù)（包括傳統(tǒng)的提拉法和導(dǎo)模法）直接生長大尺寸高質(zhì)量的單晶，且具有晶體生長速度快、可實(shí)時(shí)觀察、可采用縮頸工藝降低缺陷密度等優(yōu)勢。另外，該晶體不需要使用像SiC及GaN那樣的高溫高壓生長環(huán)境、系統(tǒng)集成和自動(dòng)化控制（包括電路、氣路等）復(fù)雜的晶體生長設(shè)備，有助于降低設(shè)備成本。不同熔體法生長獲得的β-Ga2O3體塊單晶如圖1所示。

圖1 不同熔體法生長獲得的β-Ga2O3體塊單晶：（a）導(dǎo)模法；（b）垂直布里奇曼法；（c）提拉法；（d）光浮區(qū)法

氧化鎵材料應(yīng)用及挑戰(zhàn)

β-Ga2O3晶體因其卓越的材料性能，在深紫外光電探測以及超高壓功率器件方面優(yōu)勢非常明顯。β-Ga2O3禁帶寬度為4.9eV，吸收截止邊位于250 nm處，紫外透過率可達(dá)80%以上，并且具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。因此，β-Ga2O3晶體自身便滿足“日盲”光電器件的需求，避免了合金化等復(fù)雜問題，在深紫外固態(tài)光電器件研究領(lǐng)域優(yōu)勢非常突出。

另外，從表1中可知，β-Ga2O3禁帶寬度是Si的四倍以上，而且高于3.3 eV的SiC和 3.4 eV 的GaN。其擊穿電場強(qiáng)度為8 MV/cm，是Si的20倍以上、SiC或GaN的兩倍以上。作為功率器件低損耗指標(biāo)的巴利加優(yōu)值，β-Ga2O3是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，β-Ga2O3功率器件將在超高壓輸電、高速鐵路及軍事武器等關(guān)鍵領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

綜合分析當(dāng)前氧化鎵晶體生長及器件制作的研究現(xiàn)狀，仍有幾大關(guān)鍵問題亟待解決：

單晶質(zhì)量普遍不高，大尺寸高質(zhì)量β-Ga2O3單晶仍有待發(fā)展。

有效的P型摻雜難于實(shí)現(xiàn)。

體塊單晶、外延薄膜及器件中存在的主要缺陷類型及影響還未完全明確。

歐姆接觸有待通過加強(qiáng)表面清潔度、重?fù)诫s和界面嵌入等方法提高。

表面鈍化及封裝技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展來為器件的使用保駕護(hù)航。

熱導(dǎo)率低的問題需要進(jìn)一步通過轉(zhuǎn)移或者減薄等方法來解決。