陶绪堂：氧化镓单晶生长技术

陶绪堂：氧化镓单晶生长技术

在最新出版的《半导体学报》2019年第1期上，山东大学晶体材料国家重点实验室主任陶绪堂教授着重介绍了氧化镓晶体生长技术，指出导模法（EFG）由于可实现大的晶体尺寸、低的缺陷密度、大的生长速度、以及高的晶体质量，被认为是未来大批量生产氧化镓单晶的最佳工艺之一。

氧化镓材料简介

β-Ga2O3晶体是一种新型的第四代直接带隙超宽禁带半导体，相比于第三代半导体，它具有禁带宽度更大、吸收截止边更短、生长成本更低等突出优点，成为超高压功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一，主要物理性能如表1所示。由于其在军事、能源、医疗、环境等领域的重要应用价值，近年来，氧化镓材料及器件的研究与应用，呈现出显著的加速发展势头，是当前德国、日本、美国等国家的研究热点和竞争重点。

表1 β-Ga2O3晶体的主要物理性能

高温熔体技术生长氧化镓材料

β-Ga2O3晶体生长成本较低，可以采用高温熔体技术（包括传统的提拉法和导模法）直接生长大尺寸高质量的单晶，且具有晶体生长速度快、可实时观察、可采用缩颈工艺降低缺陷密度等优势。另外，该晶体不需要使用像SiC及GaN那样的高温高压生长环境、系统集成和自动化控制（包括电路、气路等）复杂的晶体生长设备，有助于降低设备成本。不同熔体法生长获得的β-Ga2O3体块单晶如图1所示。

图1 不同熔体法生长获得的β-Ga2O3体块单晶：（a）导模法；（b）垂直布里奇曼法；（c）提拉法；（d）光浮区法

氧化镓材料应用及挑战

β-Ga2O3晶体因其卓越的材料性能，在深紫外光电探测以及超高压功率器件方面优势非常明显。β-Ga2O3禁带宽度为4.9eV，吸收截止边位于250 nm处，紫外透过率可达80%以上，并且具有良好的化学稳定性和热稳定性。因此，β-Ga2O3晶体自身便满足“日盲”光电器件的需求，避免了合金化等复杂问题，在深紫外固态光电器件研究领域优势非常突出。

另外，从表1中可知，β-Ga2O3禁带宽度是Si的四倍以上，而且高于3.3 eV的SiC和 3.4 eV 的GaN。其击穿电场强度为8 MV/cm，是Si的20倍以上、SiC或GaN的两倍以上。作为功率器件低损耗指标的巴利加优值，β-Ga2O3是SiC的10倍、GaN的4倍。因此，β-Ga2O3功率器件将在超高压输电、高速铁路及军事武器等关键领域具有巨大的应用价值。

综合分析当前氧化镓晶体生长及器件制作的研究现状，仍有几大关键问题亟待解决：

单晶质量普遍不高，大尺寸高质量β-Ga2O3单晶仍有待发展。

有效的P型掺杂难于实现。

体块单晶、外延薄膜及器件中存在的主要缺陷类型及影响还未完全明确。

欧姆接触有待通过加强表面清洁度、重掺杂和界面嵌入等方法提高。

表面钝化及封装技术有待进一步发展来为器件的使用保驾护航。

热导率低的问题需要进一步通过转移或者减薄等方法来解决。