Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Crystal Materials, Institute of novel semiconductors, Shandong University, Jinan 250100, China
2 Shandong Research Institute of Industrial Technology, Jinan 250100, China
The (010)-oriented substrates of β-Ga2O3 are endowed with the maximum thermal conductivity and fastest homoepitaxial rate, which is the preferred substrate direction for high-power devices. However, the size of (010) plane wafer is critically limited by die in the commercial edge-defined film-fed growth (EFG) method. It is difficult to grow the β-Ga2O3 crystal with (010) principal face due to the (100) and (001) are cleavage planes. Here, the 2-inch diameter (010) principal-face β-Ga2O3 single crystal is successfully designed and grown by improved EFG method. Unlike previous reported techniques, the single crystals are pulled with [001] direction, and in this way the (010) wafers can be obtained from the principal face. In our experiments, tree-like defects (TLDs) in (010) principal-face bulk crystals are easy to generate. The relationship between stability of growth interface and origin of TLDs are thoroughly discussed. The TLDs are successfully eliminated by optimizing growth conditions. The high crystalline quality of (010)-oriented substrates are comprehensive demonstrated by full width at half maximum (FWHM) with 50.4 arcsec, consistent orientation arrangement of (010) plane, respectively. This work shows that the (010)-oriented substrates can be obtained by EFG method, predicting the commercial prospects of large-scale (010)-oriented β-Ga2O3 substrates.
β-Ga2O3 EFG (010) principal-face single crystal Journal of Semiconductors
2025, 46(6): 24110029
西安电子科技大学 集成电路学部，西安 710071
主要围绕Fe: β-Ga2O3基垂直型光导开关的高压性能进行实验和分析。结果显示，Fe: β-Ga2O3中深能级能提供产生非本征激发的载流子，输入电压为20 kV并进行单次激光触发时器件未出现击穿趋势，在15 kV下以10 Hz光触发至少5000余次后开关损坏，有效数据中脉冲表现较为稳定，初步证明了氧化镓光导开关可应用于大功率和高频等极限环境。失效分析说明较大的禁带宽度不是决定高耐压的唯一条件，除了使用精确掺杂的手段引入特定缺陷来改变Ga2O3材料性能外，进一步改良现有的材料生长方式和器件封装结构等也对提高光导开关的输出和寿命有所帮助。
氧化镓 深能级 光导开关 可靠性 脉冲功率 β-Ga2O3 deep level PCSS reliability pulse power 强激光与粒子束
2025, 37(6): 065004
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications & School of Physical Science and Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China
2 Key Laboratory of Optoelectronic Information and Technology, Ministry of Education, and College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
Gallium oxide (Ga2O3), a promising candidate in ultraviolet photodetection, suffers significant limitations in its optoelectronic performance owing to the challenge of achieving p-type doping. To address this challenge, we designed a type-I heterostructure photodetector (PD) by depositing two-dimensional Bi films on Ga2O3 using the pulsed laser deposition technique. Under the illumination intensity of 0.1 µW/cm2, this PD exhibits a remarkable responsivity of up to 200 mA/W and a detectivity of 8.58 × 1011 Jones, demonstrating its excellent low-light detection ability. In addition, due to the built-in electric field of the heterojunction, the device can effectively suppress the dark current and has the performance of self-powered detection.
heterostructure Ga2O3 two-dimensional bismuth deep ultraviolet photodetector Chinese Optics Letters
2025, 23(7): 071601
高能粒子在β-Ga2O3中产生的点缺陷可通过迁移聚集形成低应变能团簇，对器件性能有显著影响。基于第一性原理计算，利用广义梯度近似下的PBE泛函，结合攀爬图像推动弹性带方法计算，研究β-Ga2O3材料中关于辐照缺陷迁移的机理。结果表明：O原子比Ga原子更容易脱离晶格位置，形成VO和Oi；O原子的三个位点在形成VO时，VO1、VO2、VO3最小迁移势垒分别为0.48 eV、0.015 eV、0.39 eV，其最佳迁移路径为VO1_3、VO2_11、VO3_18；Ga原子两个位点形成VGa时，VGa1、VGa2最小迁移势垒分别是0.33 eV、0.35 eV，其最佳迁移路径为VGa1_4、VGa2_4；Oi形成时最小迁移势垒是0.13 eV，迁移路径为O2→Oi，Gai最小迁移势垒是0.84 eV，迁移路径为Gai1→Gai6。研究结果将有助于进一步了解辐照下β-Ga2O3材料中缺陷迁移的微观机理，为辐照加固提供理论参考。
辐照 缺陷 迁移势垒 第一性原理 β-Ga2O3 Irradiation Defect Migration barrier First principles calculations β-Ga2O3
1 松山湖材料实验室， 广东 东莞 523808
2 中国科学院 物理研究所， 北京 100190
宽带隙半导体在研制无滤光片紧凑型日盲紫外探测器方面具有极大的发展潜力。本文结合本团队在分子束外延MgZnO单晶薄膜和磁控溅射非晶Ga2O3薄膜以及相应日盲紫外探测器的研究经验，综述了以MgZnO和非晶Ga2O3为代表的宽带隙氧化物半导体深紫外探测器研究进展，发现非晶Ga2O3薄膜拥有不输于单晶薄膜的深紫外响应特性。众多研究结果表明，氧空位相关缺陷对器件性能起着至关重要的作用，对其进行合理调控可有效提升器件性能。此外，与氧空位缺陷相伴的持续光电导效应为开发深紫外光电突触器件提供了新的研究视角。最后，针对上述研究中存在的问题进行剖析总结，期望进一步推动宽带隙氧化物半导体材料，尤其非晶Ga2O3材料在未来深紫外探测方面的产业应用。
日盲紫外 光电探测器 镁锌氧 氧化镓 非晶 solar-blind ultraviolet photodetector MgZnO Ga2O3 amorphous
1 南京电子器件研究所，中国电科碳基电子重点实验室，南京 210016
2 固态微波器件与电路全国重点实验室，南京 210016
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
4 杭州富加镓业科技有限公司，杭州 311421
5 吉林大学电子科学与工程学院，集成光电子国家重点实验室，长春 130012
β-Ga2O3具有禁带宽度大和击穿场强高等优异的物理特性，被认为是制作新一代大功率、高效率电力电子器件的理想半导体材料。然而，无终端的Ga2O3肖特基势垒二极管（SBD）容易在肖特基电极边缘产生高峰值电场，导致器件过早击穿，影响其耐压特性。因此，本文提出通过对器件肖特基金属边缘进行硼（B）离子选区注入来构建埋层高阻终端，从而调控电极边缘的电场分布，以达到提升击穿电压的效果。B离子注入的能量和剂量分别为60 keV和7×1014 cm-2，通过仿真估算注入深度约为200 nm。采用B离子注入终端后，Ga2O3 SBD器件的导通特性未发生明显变化，比导通电阻仍为2.5 mΩ·cm2左右，而击穿电压则从429 V大幅度提升至1 402 V，增幅达226%，对应的功率优值从74 MW/cm2提升至767 MW/cm2。通过仿真研究了器件电场分布，发现采用B注入终端后，肖特金属电极边缘的电场峰值得到显著抑制，且随着注入深度的增大而逐步下降。本工作为高性能Ga2O3功率器件终端结构的设计提供了新的研究思路。
肖特基二极管 硼离子注入 边缘终端 击穿电压 β β -Ga2O3 -Ga2O3 SBD B ion-implant edge termination breakdown voltage
超宽禁带半导体氧化镓具有高临界击穿场强、低导通损耗等优势，是制作新一代大功率、高效率功率器件的理想半导体材料。然而，目前氧化镓二极管的实际性能和理论极限相比仍有差距，迫切需要开发高效边缘终端来削弱峰值电场，提高器件的击穿电压。本文研究了氧化镍/氧化镓异质结二极管台面终端技术，对比了不同刻蚀深度（0、0.37、0.74和1.11 μm）下器件的性能。台面终端二极管的击穿电压先随刻蚀深度的提升而增大，而后由于刻蚀损伤的积累出现下降。在1.11 μm的刻蚀深度下，器件的击穿电压由无终端时的970 V提升到2 600 V，比导通电阻由6.43 mΩ·cm2略微增大至7.38 mΩ·cm2。通过仿真研究了器件电场的分布情况，发现台面终端将电场峰值从阳极边缘转移至刻蚀拐角处，且大幅抑制了峰值电场强度。刻蚀后的退火显著降低了器件的漏电流，在-2 000 V时的漏电流仅为4×10-7 A/cm2，击穿电压无明显提升（2 625 V），比导通电阻下降至6.96 mΩ·cm2，最终功率优值达到0.99 GW/cm2。本工作为高耐压低漏电氧化镓功率二极管的设计提供了新的研究思路。
氧化镓 氧化镍异质结二极管 台面终端 退火 击穿电压 β -Ga2O3 NiO heterojunction diode mesa termination annealing breakdown voltage
超宽禁带氧化镓半导体材料具有高临界场强、位移阈能等优势，在太空等高压强辐照应用环境下具有良好的应用前景。然而，由于材料较低的热导率和空穴迁移率，高能粒子辐照容易导致器件在远低于额定电压下发生单粒子烧毁（SEB）。因此，本文提出通过台面终端结构将辐照前电场峰值从阳极边缘漂移层表面转移到台面终端侧壁，避免了肖特基界面电场聚集在单粒子效应下进一步恶化，同时也降低了局部功率密度，提高了器件的单粒子烧毁电压。单粒子实验采用入射能量高达1.86 GeV的钽离子，线性能量传递（LET）超过80 MeV·cm2·mg-1。普通无终端结构氧化镓肖特基二极管（SBD）单粒子烧毁电压仅170 V，而台面终端结构氧化镓肖特基二极管单粒子烧毁电压达到了220 V。通过仿真研究了器件的单粒子瞬态响应，发现采用台面终端结构后，重离子入射下阳极边缘漂移层表面的电场峰值得到显著抑制，且较低的峰值电场避免了过高的局部功率耗散，降低了器件内部峰值温度，提高了单粒子烧毁阈值。本工作为氧化镓功率器件的辐照加固方案提供了新思路。
氧化镓 肖特基二极管 台面终端 辐照 单粒子效应 β -Ga2O3 Schottky barrier diode mesa termination irradiation single-event effect
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，集成电路材料全国重点实验室，上海 200050
2 上海科技大学信息科学与技术学院，上海 201210
3 哈尔滨工业大学（深圳），微纳光电信息系统理论与技术工业和信息化部重点实验室，深圳 518055
4 中国科学院上海光学精密机械研究所，强激光材料重点实验室，上海 201800
5 杭州光学精密机械研究所，杭州 311421
6 西安电子科技大学微电子学院，西安 710071
超宽禁带氧化镓在高功率和射频器件领域显示出巨大发展潜力。然而，氧化镓固有的极低热导率和p型掺杂困难问题限制了其器件性能和结构设计。异质集成是突破单一材料性能极限，变革提升器件性能的关键技术。本文综述了异质外延、机械剥离和离子束剥离转移三种氧化镓异质集成技术的最新研究进展，重点对比分析不同集成技术在材料质量、电学和热学特性及器件性能等方面的优缺点，并针对衬底种类、界面成键方式、过渡层厚度对纵向散热和电子输运的影响进行探讨。同时，本文对当前氧化镓异质集成技术所面临的挑战进行分析，并对氧化镓异质集成技术未来的发展趋势进行展望，旨在唤起国内氧化镓异质集成衬底相关研究，推动氧化镓异质集成器件开发，加快推进氧化镓材料和器件产业化应用。
氧化镓 异质衬底集成 异质外延 机械剥离 离子束剥离转移 热管理 Ga2O3 heterogenous substrate integration heteroepitaxy mechanical exfoliation ion-cutting thermal management
河南科技大学物理工程学院，河南省光电储能材料与应用重点实验室，洛阳 471023
日盲紫外光电探测器（SBPDs）在**、民用、医疗等领域存在巨大的应用潜力。本文采用射频磁控溅射技术制备Si掺杂氧化镓（Ga2O3）薄膜，研究了氩氧流量比对其物理特性的影响。晶体结构、光学性质和表面形貌分析结果表明，当氩氧流量比为30∶20时，薄膜的结晶质量最好。Ga2O3∶Si薄膜沿晶面择优生长，表面平整光滑，无微孔洞，400~800 nm波段的平均透过率为90%。基于优化的Ga2O3∶Si薄膜制备条件，本文制备了p-GaN/n-Ga2O3∶Si自供电SBPDs，其在0 V偏压254 nm光照下的上升时间和衰减时间分别为0.450和0.509 s，光暗电流比（PDCR）、响应度（R）和比探测率（D*）分别为23、0.24 mA/W和1.67×108 Jones。研究了器件在0~-6 V偏压下的周期性时间响应特性，在0 V偏压下，器件在254 nm辐照瞬间出现尖峰，当施加反向偏压时，尖峰消失。最后分析了p-GaN/Ga2O3∶Si异质结在接触前、后及反向偏压下的能带图。
Ga2O3∶Si薄膜 氩氧流量比 磁控溅射 异质结 日盲紫外光电探测器 Ga2O3∶Si thin film argon-oxyge flow ratio magnetron sputtering heterojunction solar-blind ultraviolet photodetector
