氧化鎵（Ga₂O₃）半導體具有4.85 eV的超寬帶隙、高的擊穿場強、可低成本制作大尺寸襯底等突出優點。有望實現更高耐壓、更低損耗、更高效率。可以通過熔融法制備低成本、大尺寸單晶襯底。氧化鎵半導體在大功率器件、日盲紫外光電探測應用方面受到極大關注。

近期，在西安召開的“2023功率與光電半導體器件設計及集成應用論壇”上，廈門大學教授張洪良帶來了”寬禁帶氧化鎵薄膜外延及電子結構研究”的主題報告，報告介紹了氧化鎵材料發展現狀，并重點介紹了其課題組在氧化鎵薄膜外延、摻雜與缺陷機制以及表界面電子結構等方面的研究進展。

當前，鑒于廣闊的發展前景，氧化鎵材料和器件已成為世界科技前沿和國家戰略競爭要地。比如日本經濟產業省(METI) 近五年投資超過1億美元，支持氧化鎵半導體材料開發。美國國防部/空軍實驗室聯合Cornell/UCSB和企業在2012年建立了氧化鎵材料與器件研究部門。德國萊布尼茨晶體生長研究所（IKZ）2009年開始研發Ga₂O₃ 晶體，實現4英寸的晶體，為美國空軍實驗室供應外延基片。

從氧化鎵半導體產業鏈來看，單晶襯底和外延薄膜是功率和光電器件的關鍵材料基礎，其品質直接決定器件性能。高品質氧化鎵外延薄膜以及缺陷與摻雜調控是器件應用的關鍵。目前國外已實現導模法4英寸單晶初步量產，6英寸晶坯的突破。國內已逐步實現4英寸晶體。氧化鎵薄膜外延進展方面，采用MOCVD、MBE、HVPE等技術外延生長氧化鎵薄膜。通過Si、Sn等摻雜實現載流子濃度從10¹⁵到10²⁰ cm-3范圍的調控。對于氧化鎵薄膜外延存在的問題，報告認為大部分外延研究工作集中在（010）面襯底；然而(100), (001) 面更容易獲得大尺寸襯底，但缺陷，位錯密度高，生長速度慢。需進一步發展低背景載流子濃度、低缺陷密度的外延薄膜等。

報告介紹了設備與表征技術，以及Si、Sn摻雜氧化鎵電子結構研究成果，研究利用脈沖激光沉積和分子束外延技術分別通過Si和Sn摻雜實現了氧化鎵外延薄膜載流子從3×10¹⁷ cm^-3到  2.6×10²⁰ cm^-3的大范圍調控。其中，1% Si摻雜的Ga₂O₃薄膜實現了目前文獻報道的最高導電率 2520 S/cm和最高載流子濃度 2.6×10²⁰ cm^-3。結合同步輻射硬X射線光電子能譜（HAXPES）和密度泛函理論（DFT）計算，闡明了Si是氧化鎵最優選的n型摻雜劑，并提出Si共振摻雜機制的理論模型。明晰缺陷與摻雜機制，極少量雜質/缺陷的抑制策略。

另一方面，課題組也對氧化鎵薄膜的表界面電子結構進行系統研究，發現氧化鎵表面存在高達0.8 eV的向上能帶彎曲，其內在原因是Ga 4s軌道構成的導帶底部能量較高和氧化鎵較低的功函數（僅為3.2 eV）。向上的能帶彎曲給Ga₂O₃歐姆接觸帶來挑戰。Si重摻雜的氧化鎵薄膜能有效緩解肖特基勢壘的形成。

研究在氧化鎵薄膜外延、缺陷與摻雜機制和表界面電子結構的研究結果為氧化鎵材料和光電子器件的開發具有一定的指導意義。

論壇相關信息

本次CASICON系列活動之“2023功率與光電半導體器件設計及集成應用論壇（西安站）”由第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA）指導，西安交通大學、極智半導體產業網（www.ynpmqx.com）、第三代半導體產業主辦，西安電子科技大學、中國科學院半導體研究所、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟人才發展委員會、全國半導體應用產教融合（東莞）職業教育集團聯合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協辦。

CASICON 系列活動簡介

 “先進半導體產業大會（CASICON）”由【極智半導體產業網】主辦，每年在全國巡回舉辦的行業綜合活動。活動聚焦先進半導體產業發展熱點，聚合產業相關各方訴求，通過“主題會議+項目路演+展覽”的形式，促進參與各方交流合作，積極推動產業發展。CASICON 系列活動將以助力第三代半導體產業為己任，聯合實力資源，持續輸出高質量的活動內容，搭建更好的交流平臺，為產業發展貢獻應盡的力量。

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