陶緒堂：氧化鎵單晶生長技術

在最新出版的《半導體學報》2019年第1期上，山東大學晶體材料國家重點實驗室主任陶緒堂教授著重介紹了氧化鎵晶體生長技術，指出導模法（EFG）由于可實現大的晶體尺寸、低的缺陷密度、大的生長速度、以及高的晶體質量，被認為是未來大批量生產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體，相比于第三代半導體，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點，成為超高壓功率器件和深紫外光電子器件的優選材料之一，主要物理性能如表1所示。由于其在軍事、能源、醫療、環境等領域的重要應用價值，近年來，氧化鎵材料及器件的研究與應用，呈現出顯著的加速發展勢頭，是當前德國、日本、美國等國家的研究熱點和競爭重點。

表1β-Ga2O3晶體的主要物理性能

高溫熔體技術生長氧化鎵材料

β-Ga2O3晶體生長成本較低，可以采用高溫熔體技術（包括傳統的提拉法和導模法）直接生長大尺寸高質量的單晶，且具有晶體生長速度快、可實時觀察、可采用縮頸工藝降低缺陷密度等優勢。另外，該晶體不需要使用像SiC及GaN那樣的高溫高壓生長環境、系統集成和自動化控制（包括電路、氣路等）復雜的晶體生長設備，有助于降低設備成本。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）導模法；（b）垂直布里奇曼法；（c）提拉法；（d）光浮區法

氧化鎵材料應用及挑戰

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80%以上，并且具有良好的化學穩定性和熱穩定性。因此，β-Ga2O3晶體自身便滿足“日盲”光電器件的需求，避免了合金化等復雜問題，在深紫外固態光電器件研究領域優勢非常突出。

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的巴利加優值，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鍵領域具有巨大的應用價值。

綜合分析當前氧化鎵晶體生長及器件制作的研究現狀，仍有幾大關鍵問題亟待解決：

單晶質量普遍不高，大尺寸高質量β-Ga2O3單晶仍有待發展。

有效的P型摻雜難于實現。

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表面清潔度、重摻雜和界面嵌入等方法提高。

表面鈍化及封裝技術有待進一步發展來為器件的使用保駕護航。

熱導率低的問題需要進一步通過轉移或者減薄等方法來解決。