专刊 | 半导体学报2023年第6期——超宽禁带氧化镓半导体专刊（I）：外延生长和功率器件
来源:中科院半导体所发布时间:2023-07-067385浏览
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超宽禁带氧化镓半导体专刊（I）：外延生长和功率器件
、学和机械性质可以通过相邻二维材料的层间相对转角进行调控，基于这一特性，“二维转角范德瓦尔斯异质结”正逐渐成为新型光电和输运器件的基本构成要素。这种转角二维异质结构将不同的二维范德瓦尔斯材料通过机械转移的办法堆叠在一起，逐渐发展出“转角电子学”这一全新研究领域。在“转角范德瓦尔斯异质结”中，相邻二维材料的晶格失配和层间转角共同作用，产生了“莫尔超晶格”：即一种比原始晶胞更大的周期性晶格结构，目前已被广泛用于二维材料的光学特性和电子结构设计，并由此展示出一系列新奇的现象。虽然在范德瓦尔斯异质结中，二维材料层与层之间的范德瓦尔斯相互作用非常弱，但莫尔超晶格的形成却可以显著改变电子和声子的能带结构。这种意想不到的能带结构和拓扑结构的引入将引发长程关联、电荷有序以及其它于母体材料中不具备的诸多引人入胜的量子现象。与传统的半导体异质结构不同，简单的堆叠、转角、栅极调制和光学激发对这类材料而言都是全新而有效的调控方法。因此，“转角电子学”为人们无缝链接地打开了探索从弱关联到强关联极限物理学的大门。虽然“转角电子学”这一全新领域的研究看似可以简单地通过扭转层间转角来实现，但与同类非转角材料体系的研究相比仍然面临诸多挑战，后者需要在制造技术、新结构设计和更深入的物理理解等多方面取得更多的突破并开展更深入的研究。
由于我们无法将所有相关问题逐一囊括，本期专题侧重于“转角范德瓦尔斯异质结”的合成、实验及其潜在应用价值相关的最新重要研究进展，汇集了5篇综述论文、1篇研究论文、1 篇新闻与观察（news views）以及 1 篇评论与观点（comments opinions）文章。中科院半导体研究所张俊研究员、魏钟鸣研究员担任特约编辑。专题已于2023年第1期正式出版并可在线阅读，欢迎关注。
我们真诚地希望本期特刊能为“转角电子学”研究提供深刻、有意义的回顾和展望，我们衷心地感谢所有作者的杰出贡献。
目前，电子学界普遍看好氧化镓（Ga2O3）超宽带隙半导体在功率电子器件领域的前景，认为其最终将在功率电子应用领域带来巨大变革。特别是得益于Ga2O3 高达4.8 eV的超宽带隙，新兴的Ga2O3半导体材料将有望提供一个激动人心的技术平台，不仅可以大幅提升功率器件的性能，还有望催生全新的应用领域。高质量的Ga2O3薄膜对于制备高性能功率电子器件至关重要，但是其发展也面临诸多挑战。因此，随着Ga2O3功率器件和系统的快速发展，实现高质量Ga2O3薄膜的外延成为不可或缺的关键技术。为了概述Ga2O3技术的最新进展以及该领域所面临的机遇和挑战，我们特别邀请了西安电子科技大学韩根全教授、中国科技大学龙世兵教授、美国弗吉尼亚理工学院张宇昊教授、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所王轶博助理研究员以及中科院半导体研究所魏钟鸣研究员担任特约编辑，组织了两期“超宽禁带Ga2O3半导体”专刊，并将在《半导体学报》上连续刊载。本期专刊是第一期，已于2023年第6期正式出版，本期聚焦于Ga2O3薄膜外延技术的前沿进展及其在新型功率电子器件中的应用，共收录了6篇研究论文、2篇综述及1篇评论与观点文章。唐文博等人报道了采用有机金属化学气相沉积法（MOCVD）在半绝缘（100）β-Ga2O3单晶衬底上同质外延生长Si掺杂的β-Ga2O3薄膜的研究工作。通过对生长条件的精心优化，利用MOCVD外延方法实现了浓度可调的高质量Si掺杂β-Ga2O3外延层的制备。该研究进一步表明，Si掺杂的Ga2O3薄膜具有高电子迁移率和低接触电阻等突出的电子特性，这为基于Si掺杂β-Ga2O3薄膜的电子器件展示出优良的电气性能提供了潜在机会。王维等人讨论了在不同晶向的蓝宝石衬底上生长α-Ga2O3薄膜的晶格外延关系和电气特性。该工作全面研究了不同晶向α-Ga2O3薄膜的晶体结构、光学带隙及电导率等物理性质。研究发现，不同晶体取向的α-Ga2O3薄膜表现出不同的物理性质，其中氧空位能级的变化被认为是导致这种差异的原因。王晓杰等人展示了一种基于mist-CVD的快速外延技术，用于制备高品质α-Ga2O3薄膜。研究证明了能够在大尺寸、高均匀性的蓝宝石衬底上成功外延生长长达2英寸的α-Ga2O3薄膜，并通过全面的晶体结构表征方法，对α-Ga2O3薄膜的生长机制进行了深入研究。程丽媛等人采用碳热还原法研究了β-Ga2O3薄膜在蓝宝石衬底上的异质外延行为。通过对生长参数的实验优化，获得了高质量β-Ga2O3外延薄膜的最佳生长参数。研究结果表明，碳热还原法是一种有效的β-Ga2O3薄膜沉积方法。除了Ga2O3在电子器件上的应用，李立珺等人报道了基于Sn掺杂的Ga2O3薄膜上的高性能日盲光电探测器。他们研究了通过射频磁控溅射法制备Sn掺杂β-Ga2O3薄膜在不同退火气氛条件下的物性影响。王月飞等人开发了一种CVD方法，用于生长厘米尺度Ga2O3微米线，并证实了该Ga2O3微米线可用于制备光电探测器。研究表明，Ga2O3微米线的长度可以达到1 cm。基于Ga2O3微米线的金属-半导体-金属光电探测器表现出优异的日盲光电探测性能，这得益于Ga2O3微米线的高质量晶体结构。李博同等人介绍了增强模式β-Ga2O3场效应晶体管（E-mode FETs）器件技术的最新进展，该综述涵盖材料生长、器件制备以及典型器件性能等方面。基于β-Ga2O3 的E-mode FETs作为一类颇具前景的器件概念，有望推动功率电子器件领域的重要创新。作者还讨论了基于β-Ga2O3的E-mode FETs所面临的关键挑战和未来发展。氧化镍（NiO）被认为是一种具有应用前景的宽带隙p型半导体，与n型Ga2O3相互补充。卢星等人总结并讨论了NiO/Ga2O3异质结驱动的功率电子器件的最新进展及面临的挑战。综述了NiO/Ga2O3异质结的结构、表征方法以及器件技术的最新进展。此外，还讨论了基于NiO/Ga2O3异质结的功率电子器件在未来可能面临的挑战和机遇。在评论与观点文章中，韩根全等人对Ga2O3薄膜功率器件的异质集成技术的现状和未来发展进行了深入的讨论。由于Ga2O3材料本身固有的低热导性，构建Ga2O3功率器件迫切需要一种有效的热管理策略，这激发了一系列旨在实现高导热器件的新方法。通过对现有Ga2O3功率器件热管理解决方案的深入调研，作者指出，基于离子切割的异质集成技术是一种极具前景的技术方法，有望在大规模生产中实现具有高度热稳定性的高性能功率器件。我们很高兴能与《半导体学报》的读者分享关于Ga2O3电子学领域的最新综述和令人振奋的研究成果。本期专刊旨在为读者呈现Ga2O3薄膜外延技术和功率器件研究的最新进展以及面临的机遇与挑战。我们衷心感谢所有作者为本期专刊做出的巨大贡献。专刊
综述
1
增强型氧化镓场效应晶体管与性能研究进展综述
电力电子器件作为电力设备和电子系统中实现电能变换和控制电路方面最为重要的电子元器件，被誉为电能转换和传输的核“芯”。近年来第三代半导体氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为电力电子器件发展注入了新动力，其器件性能已超越了传统硅（Si）基器件的理论极限。而新型超宽禁带半导体氧化镓（Ga2O3）带隙高达4.9 eV，且具有更为优异的击穿场强和巴利加优值，在电力电子器件方面发展前景广阔。
目前，虽然Ga2O3单极型器件性能已超越了SiC材料极限，但p型Ga2O3掺杂等问题制约了器件性能的进一步提升。单极型Ga2O3场效应晶体管（FET）器件也因此无法实现增强型（E-mode）的工作模式，成为了Ga2O3电力电子器件在实际电路应用中的障碍。因此，如何实现稳定可靠的E-mode Ga2O3 FET已经成为Ga2O3电力电子器件领域的热点与难点。
近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台基于前期工作基础，通过对相关文献的调研，对E-mode Ga2O3 FET材料外延与器件工艺的研究进展进行了整理和归纳。首先，从金属有机化合物气相沉积（MOCVD）和卤化物气相外延（HVPE）等工艺出发，详细介绍了Ga2O3材料外延工艺的关键技术，展示了Ga2O3电力电子器件研究的概况。随后，综述了E-mode Ga2O3 FET的最新研究进展，包括相关制备工艺的具体细节和器件的阈值电压、导通电阻等关键参数。通过对不同结构的器件性能比较，清晰地展示了设计结构的优势和劣势，厘清设计思路，对E-mode Ga2O3 FET的研究与开发具有指导意义。此外，综述对Ga2O3 FET的击穿电压、散热性能等其他参数也进行了简单介绍。
该文章以题为“A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga2O3 FETs: growth, devices and properties”发表在Journal of Semiconductors上。中科院苏州纳米所博士生李博同为论文的第一作者，中科院苏州纳米所张宝顺研究员为通讯作者。
图1. （a）氧气退火处理工艺的增强型氧化镓场效应管；（b）p型氧化镍栅极的增强型氧化镓场效应管；（c）多层铁电栅介质的增强型氧化镓场效应管；（d）氮离子注入工艺的垂直凹栅强增型氧化镓场效应晶体管。
文章信息：
A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga2O3 FETs: Growth, devices and properties
Botong Li, Xiaodong Zhang, Li Zhang, Yongjian Ma, Wenbo Tang, Tiwei Chen, Yu Hu, Xin Zhou, Chunxu Bian, Chunhong Zeng, Tao Ju, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang
J. Semicond.2023, 44(6): 061801 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061801
2
NiO/β-Ga2O3异质结在功率器件领域的研究进展
功率器件常用于开关控制和大功率电路驱动，在多种场合中具有广泛的应用。随着电动汽车、5G网络和物联网（IoT）的快速发展，硅基器件逐渐达到了其物理极限，传统的硅基功率器件已难以满足许多超高功率应用的需求。宽禁带半导体材料氧化镓（β-Ga2O3）具有约4.8 eV的禁带宽度、高达8 MV/cm的临界电场、约3000的巴利加优值系数（BFOM）、可用熔融法生长等优秀的性质，是制备下一代功率器件的潜力材料。通过硅或锡掺杂，β-Ga2O3可以实现浓度在1015-1019 cm-3范围内可调的N型导电。然而，由于较大的受主杂质激活能和空穴自陷能，实现β-Ga2O3的P型导电是非常困难的，这也成了β-Ga2O3同质双极型器件发展的主要阻碍。双极型结构通常具有低漏电流、高热稳定性和良好的抗浪涌能力，在功率器件设计中有着广泛应用。为了实现β-Ga2O3双极型器件，一个可行的方法是使用P型半导体材料如氧化锡（SnO）、氧化亚铜（Cu2O）、氧化镍（NiO）等与N型β-Ga2O3构建异质结，而NiO以其3.6-4.0 eV的大禁带宽度和可控的P型掺杂，成为其中的主流选择。2020年，Lu等人报道了用溅射法制备的NiO薄膜和β-Ga2O3构建的异质结，实现了第一个具有千伏级击穿电压的β-Ga2O3双极型器件。随后，许多研究人员在提升NiO/β-Ga2O3异质pn结性能等方面取得了显著进展。此外，NiO/β-Ga2O3异质结结构也被广泛用于其它器件结构，如结势垒肖特基二极管（JBS）、结场效应晶体管（JFET）和边缘终端（ET）结构等。
近日，中山大学卢星副教授、王钢教授团队总结了NiO/β-Ga2O3异质结在功率器件领域的研究进展，并对其未来的发展做出了展望。综述从NiO/β-Ga2O3异质结的构建、表征和器件性能三个方面展开，讨论了溅射法制备的NiO/β-Ga2O3异质结的结晶性质、能带结构和载流子运输特性，并介绍了包括NiO/β-Ga2O3异质pn结二极管（HJD）、结势垒肖特基二极管、结场效应晶体管和基于NiO/β-Ga2O3异质结的边缘终端结构及超结（SJ）结构在内的多种器件结构的最新进展。此外，文中还针对NiO/β-Ga2O3异质结实际应用中存在的如材料质量、器件结构优化、界面态和器件可靠性等关键问题进行了总结和展望。
该综述总结了NiO/β-Ga2O3异质结在功率器件领域的发展现状，为之后设计高性能的NiO/β-Ga2O3异质结器件提供了参考，对β-Ga2O3双极型器件未来的发展起到了积极的作用。
该文章以题为“Recent advances in NiO/Ga2O3 heterojunctions for power electronics”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. NiO/β-Ga2O3异质结功率器件发展里程碑。
文章信息：
Recent advances in NiO/Ga2O3 heterojunctions for power electronics
Xing Lu, Yuxin Deng, Yanli Pei, Zimin Chen, Gang Wang
J. Semicond.2023, 44(6): 061802 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061802
研究论文
3
MOCVD同质外延(100)面β-Ga2O3薄膜与Si掺杂研究
β-Ga2O3击穿场强8 MV/cm、Baliga品质因数3444，以及单晶可熔体法生长等优势，使其成为最具发展前景的超宽禁带半导体材料之一。目前β-Ga2O3功率电子器件已显示出卓越的器件性能，为进一步挖掘其潜力，实现β-Ga2O3薄膜的高质量外延生长与可控掺杂必不可少。β-Ga2O3主要具有(100)、(010)、(001)和(−201)四种取向的衬底，同质外延β-Ga2O3薄膜仍面临孪晶、堆垛层错等各种挑战。其中，(100)取向的衬底制备相对容易且具备大尺寸优势，但该晶面表面能低，导致薄膜生长时岛状生长模式显著，使得(100)面的外延十分具有挑战性。此外，目前β-Ga2O3薄膜的n型掺杂受限，高浓度的掺杂如欧姆接触的实现通常都采用高剂量的Si离子注入，产生较大的损伤。因此，实现高质量(100)面β-Ga2O3薄膜的同质外延生长及可控的Si掺杂具有重要意义。
近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台与上海光机所齐红基团队通过金属有机化学气相沉积（MOCVD），在半绝缘的(100)面 β-Ga2O3衬底上实现了高质量的β-Ga2O3薄膜外延生长及Si掺杂。通过优化生长条件（如VI/III比值、温度和腔室压力）抑制了β-Ga2O3薄膜中的岛状生长模式，并在对薄膜的Si掺外延中，发现Si作为成核点优化生长动力学，可促进薄膜横向合并，改善了薄膜的表面形貌，(100)面β-Ga2O3薄膜表面粗糙度为1.3 nm，实现了5.41 × 1015 cm-3到1.74 × 1020cm-3的有效净掺杂浓度。对于载流子浓度为7.19 × 1018cm-3的样品，激活效率约61.5%，室温迁移率约为51 cm2/(V·s)。此外，对于Si掺杂浓度为1.64 × 1020cm-3的外延薄膜，表现出良好的欧姆接触特性，具有3.73 Ω·mm的接触电阻，方块电阻为1084 Ω/□，比接触电阻率低至1.29 × 10-4 Ω·cm2，与Si注入样品的电学特性相当，表明在β-Ga2O3薄膜的MOCVD生长中实现了可控有效的n型掺杂，为降低β-Ga2O3器件欧姆接触电阻、提高器件性能提供了可行方案。
该文章以题为“Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga2O3 films via MOCVD”发表在Journal of Semiconductors上。中科院苏州纳米所博士生唐文博为论文的第一作者，中科院苏州纳米所张宝顺研究员、中科院上海光机所齐红基研究员为通讯作者。
图2. 基于TLM的β-Ga2O3薄膜的IV特性。(a) 线性坐标；(b) 半对数坐标；(c) 总电阻与金属接触点间距的关系。
文章信息：
Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga2O3 films via MOCVD
Wenbo Tang, Xueli Han, Xiaodong Zhang, Botong Li, Yongjian Ma, Li Zhang, Tiwei Chen, Xin Zhou, Chunxu Bian, Yu Hu, Duanyang Chen, Hongji Qi, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang
J. Semicond.2023, 44(6): 062801 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062801Full Text4
不同晶面取向的α-Ga2O3薄膜的外延生长及电学特性研究
氧化镓（Ga2O3）作为新兴的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、强抗辐射能力强等优越性能，与Si、SiC、GaN等半导体材料相比，更适合用于制备电力电子器件，如肖特基势垒二极管（SBD）、异质结二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等，在先进信息技术和新能源领域具有广泛的应用前景。Ga2O3可形成五种晶体结构，包括热稳态晶相（β-Ga2O3）和介稳态晶相（α-, ε-, γ- Ga2O3等）。与热稳态的单斜晶相β-Ga2O3相比，刚玉结构的介稳态晶相α-Ga2O3具有更大的禁带宽度和更高的击穿场强，因此更适合于电力电子器件的制备。
然而，衬底晶面取向对α-Ga2O3薄膜的结晶质量和电学性能有较大的影响，进而影响α-Ga2O3基电子器件的性能。一方面，α-Ga2O3电学性质的各向异性可能与导带的各向异性有关；另一方面，不同晶面下的缺陷形成难易度对电学性能也起着十分重要的影响。因此，非常有必要研究蓝宝石衬底晶面取向对α-Ga2O3薄膜的异质外延和电学性能的影响。
近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队的科研人员采用PLD技术系统地研究了a面、m面和r面蓝宝石衬底上α-Ga2O3薄膜的外延关系和电学性能的差异。实验结果显示，外延生长的α-Ga2O3薄膜分别与同为刚玉结构的蓝宝石衬底具有一致的面外及面内生长取向。在相同的工艺条件下，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜比a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜具有更好的导电性能。有意思的是，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜的氧空位浓度也显著高于在a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜的氧空位浓度。由此推测，在不同晶面取向蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜的导电行为可能与氧空位的浓度有关，而形成能可能强烈依赖于晶格取向，从而导致掺杂原子的激活能和载流子输运行为的显著差异。但各向异性和结晶度对电学性能影响的机理还有待进一步的研究。
该研究为生长可调控电学性能的α-Ga2O3薄膜时的衬底选择提供了新思路，也为探索不同晶面α-Ga2O3薄膜电学性能差异的机理提供了基础，有助于发展氧化镓半导体器件。
该文章以题为“Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga2O3 films on differently oriented sapphire substrates”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. α-Ga2O3在 (a) a面；(b) m面；(c) r面蓝宝石衬底上的PLD外延生长关系示意图。
图2. 分别在 (a) a面；(b) m面；(c) r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜O 1s峰的XPS谱。表1. 在a面、m面以及r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga2O3薄膜的膜厚（d）、电导率（σ）、迁移率（μ）和载流子浓度（n）。
文章信息：
Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga2O3 films on differently oriented sapphire substrates
Wei Wang, Shudong Hu, Zilong Wang, Kaisen Liu, Jinfu Zhang, Simiao Wu, Yuxia Yang, Ning Xia, Wenrui Zhang, Jichun Ye
J. Semicond. 2023, 44(6): 062802 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062802
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Mist-CVD法快速制备高质量2英寸α-Ga2O3外延膜
氧化镓 (Ga2O3) 作为超宽禁带半导体材料，未来在功率器件、深紫外光电器件、微波器件等领域有着广阔的应用前景。氧化镓材料具有五种常见的晶相，分别为α、β、γ、ε、δ，其中亚稳相α-Ga2O3在氧化镓材料家族中表现出更大的禁带宽度 (5.3 eV)、更高的击穿场强 (10 MV/cm) 以及更优异的巴利加优值 (6276)，近年来吸引了业界内的广泛关注。目前，用于制备α-Ga2O3的方法主要包含Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)，Molecular Beam Epitaxy (MBE) 以及Mist Chemical-Vapor Deposition (Mist-CVD) 等方法。其中Mist-CVD方法由于设备结构简单、搭建成本与维护成本低、安全可靠等特点常应用于α-Ga2O3外延膜的制备。然而，过低的生长速率限制了未来α-Ga2O3外延膜的商业化应用，外延膜质量也有待进一步提高。
近日，山东大学陶绪堂教授课题组在2英寸蓝宝石衬底上通过Mist-CVD方法制备出高质量α-Ga2O3外延膜。他们在该工作中系统研究了衬底安装位置对α-Ga2O3外延膜生长速率的影响以及生长温度对α-Ga2O3外延膜晶体质量的影响。结果表明，降低蓝宝石衬底的安装位置能够减缓前驱体在传输过程中的损耗，有效提升α-Ga2O3外延膜的生长速率，最快可达1.45 μm/h。通过优化生长温度，在α-Ga2O3外延膜中有效抑制了其它晶相的出现，提升α-Ga2O3外延膜晶体质量。2英寸α-Ga2O3外延膜不同区域(0006)面摇摆曲线半峰宽在73-89 arcsec之间，表现出良好的晶体质量均匀性。
通过Mist-CVD方法实现快速制备高质量α-Ga2O3外延膜，对促进α-Ga2O3外延膜未来实现商业化应用起到了积极作用。
改文章以题为“Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga2O3films by Mist-CVD method”发表在Journal of Semiconductors上。
图1.(a) 蓝宝石衬底位置z=50mm，生长温度500-580 ℃下制备的α-Ga2O3外延膜的粉末XRD谱图，(b) (0006)晶面摇摆曲线，(c) 透过光谱，(d) 光学带隙。
图2. (a) 2英寸α-Ga2O3外延膜点位分图 (p1-p5)。(b) p1-p5点位α-Ga2O3(0006)晶面摇摆曲线。
文章信息：
Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga2O3 films by mist-CVD method
Xiaojie Wang, Wenxiang Mu, Jiahui Xie, Jinteng Zhang, Yang Li, Zhitai Jia, Xutang Tao
J. Semicond.2023, 44(6): 062803 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062803
6
通过碳还原技术外延β-Ga2O3薄膜
氧化镓（Ga2O3）是一种超宽禁带的半导体材料。它的超宽带隙、高的巴利加优值、热稳定性强等优点使其在高功率电力电子器件、高温深紫外探测领域有强大的应用潜力。例如，它的超宽带隙使Ga2O3适合于制造用于UV-C辐射（波长低于280 nm）的日盲紫外探测器。此外，在自然界中，Ga2O3存在五种不同的晶体结构（α, β, ε, δ, γ），在这些结构中，β-Ga2O3（单斜晶系）的热稳定性是最好的，因而目前β-Ga2O3是各界主流的研究对象。但是由于在外延过程中，单晶β-Ga2O3薄膜的获得对结晶性能要求极高，因而大尺寸的β-Ga2O3单晶制备仍然极为困难。
近日，大连理工大学梁红伟教授课题组在c面蓝宝石上通过碳还原技术沉积了β-Ga2O3薄膜。根据XRD和SEM表征结果显示，该课题组获得了较高质量的β-Ga2O3薄膜。他们在该工作中系统研究了外延温度、氧气通量、碳粉与氧化镓粉末摩尔比对所得薄膜质量的影响。结果表明，外延过程存在着一个最适宜的温度。针对该生长系统，这个最适宜温度是1050 ℃。温度低于该值时，系统内产生的Ga2O或Ga等气体不能高效率地移动到衬底处与系统内的氧气反应进而生成β-Ga2O3薄膜。而当温度过高时，分子或原子获得的动能足够大以至于它们不能彼此很好地结合，这同样不利于β-Ga2O3薄膜的生成。此外，氧气通量也是一个非常关键的影响因素。通过理论分析可以看出，氧气通量的增加有利于Ga2O或Ga气体与之反应进而生成产物——Ga2O3。然而当系统内的氧气通量过多时，这会破坏蓝宝石衬底中氧原子与β-Ga2O3中氧原子间的平行关系，进而破坏生长过程。最后，通过调整碳粉的用量探究了反应物间不同摩尔比对β-Ga2O3薄膜质量的影响。综合考虑，该课题组认为1050 ℃、20 sccm O2、碳粉与Ga2O3粉末摩尔比10 : 1为最适宜的外延参数，在该参数下，反应2h，获得了25.32 μm厚的β-Ga2O3薄膜。
通过碳还原技术外延得到的β-Ga2O3薄膜，可以有效解决目前一些主流外延方法（如MOCVD、HVPE、MBE）所存在的有毒物质参与反应、设备昂贵、外延速率低等问题。这可以促进相关机构对β-Ga2O3薄膜的研究，为我国超宽禁带半导体材料的发展奠定基础。
该文章以题为“Investigation of β-Ga2O3 thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 不同温度下得到的薄膜的SEM平面表征结果, (a) 950 ℃大尺寸, (b) 950 ℃小区域, (c) 1050 ℃, (d) 1350 ℃。
图2.碳粉与Ga2O3粉末不同摩尔比情况下得到的β-Ga2O3薄膜的XRD，(a) 20 : 1, (b) 10 : 1, (c) 5 : 1。
文章信息：
Investigation of β-Ga2O3 thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction
Liyuan Cheng, Hezhi Zhang, Wenhui Zhang, Hongwei Liang
J. Semicond.2023, 44(6): 062804 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062804
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Sn掺杂Ga2O3薄膜的制备及其日盲探测性能
氧化镓（Ga2O3）的禁带宽度约为4.2-4.9 eV，对应能量的光子波长为253-295 nm，可以实现日盲区的全覆盖，为天然日盲探测材料。目前Ga2O3单晶衬底的成本居高不下，Ga2O3纳米材料制备探测器工艺过程复杂，难以批量制作，Ga2O3薄膜基日盲探测器最具商业应用前景。射频磁控溅射法制备Ga2O3薄膜具有薄膜生长速度快、工艺成本低、成膜质量好，环境污染少等优势，适合大规模使用。然而，磁控溅射法制备的薄膜为非晶或多晶，非晶态Ga2O3薄膜电阻率高，所制日盲探测器件的光电流小，限制了器件的响应度等性能参数，Sn掺杂是提高Ga2O3薄膜基日盲探测器响应度的有效途径，但同时会降低其选择性。
近日，西安邮电大学陈海峰教授课题组使用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出了Sn掺杂Ga2O3薄膜，研究了退火气氛对薄膜日盲探测性能的影响。结果表明，Sn掺杂后，Ga2O3日盲探测器对254 nm紫外光的响应度显著提高，而同时对365 nm紫外光也有了较明显的响应。经氮气气氛退火的Sn掺杂Ga2O3基器件性能最优，对254 nm紫外光的响应明显，在20 V电压下光电流为10 μA，暗电流为5.76 pA，光暗电流比达1.7 ×106，响应度为12.47 A/W，外部量子效率为6.09 ×103%，比探测率为2.61 ×1012Jones，响应、恢复时间分别为378 ms和90 ms。器件的一致性、稳定性和重复性能够达到应用要求，响应度和选择性还需通过优化薄膜制备和退火工艺进一步提升。
探索退火工艺条件，进一步提高薄膜的结晶质量，对促进Ga2O3日盲探测器的性能指标和商业应用起到了积极的作用。
该文章以题为“Preparation of Sn doped Ga2O3 thin films and their solar blind photoelectric detection performance”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. Ga2O3薄膜的XPS谱：（a）全部测量峰，（b）Ga 3d 峰，（c）Sn 3d 峰，（d）O 1s峰。
文章信息：
Preparation of Sn-doped Ga2O3 thin films and their solar-blind photoelectric detection performance
Lijun Li, Chengkun Li, Shaoqing Wang, Qin Lu, Yifan Jia, Haifeng Chen
J. Semicond.2023, 44(6): 062805 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062805
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高质量、大尺寸氧化镓微米线的制备和器件性能研究
氧化镓（Ga2O3）以其优异的性能受到了世界各国的关注和研究，已成为继氮化镓、碳化硅之后新的研究热点。Ga2O3禁带宽度约4.9 eV，在深紫外光探测和高功率电子器件方面具有潜在的应用价值。目前，基于不同形式Ga2O3的日盲紫外探测器的研究被广泛报道，包括体材料、薄膜和微纳结构。Ga2O3薄膜可以通过多种方法生长，但晶体质量仍有待提高。
近期东北师范大学李炳生教授课题组利用化学气象沉积的方法制备了大尺寸、高结晶质量的Ga2O3微米线，并研究了微米线基光电导型器件对深紫外光的探测性能。研究团队利用碳热还原氧化的方法成功制备了大尺寸Ga2O3微米线（图1）。微米线长度可达1 cm，表面光滑，截面呈四边形。随后对微米线的光电探测性能进行了测试，显示其对日盲紫外光有明显的响应特性（图2）。得益于材料的高质量，在10 V偏压下，器件暗电流低至0.1 nA，日盲可见比可达5.8 ×105，表现出优异的光电探测性能。本研究结果对高质量Ga2O3基微纳米光电子器件的制备提供了重要的借鉴。
该文章以题为“Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga2O3 microwires”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. (a-b) Ga2O3微米线照片。(c-d)Ga2O3微米线的SEM图像。
图2.（a）Ga2O3微米线暗态和250 nm光照下的I-V曲线。（b）Ga2O3微米线在10 V偏压下的光响应谱。（c）Ga2O3微米线在10 V偏压下的探测率谱。
文章信息：
Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga2O3 microwires
Yuefei Wang, Yurui Han, Chong Gao, Bingsheng Li, Jiangang Ma, Haiyang Xu, Aidong Shen, Yichun Liu
J. Semicond.2023, 44(6): 062806 doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062806
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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