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超宽禁带半导体β-Ga2O3单晶生长突破2英寸!

导读: 近期,同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶。

近期,同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶。获得的高质量β-Ga2O3单晶,X射线双晶摇摆曲线半高宽27″,位错密度3.2×104 cm-2,表面粗糙度<5A,该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。

氧化镓(β-Ga2O3)单晶是一种第四代直接带隙超宽禁带氧化物半导体,其禁带宽度为4.8~4.9eV,具有独特的紫外透过特性(吸收截止边~260nm);击穿电场强度高达8 MV/cm,是Si的近27倍、SiC及GaN的2倍以上,巴利加优值分别是SiC、GaN的10倍、4倍以上,并且可以采用熔体法生长大尺寸体单晶,因此β-Ga2O3已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。

日本田村制作所早在2011年开发出了使用氧化镓基板的GaN类LED元件,开发的LED元件与以前使用蓝宝石基板的LED元件相比,每单位面积可流过10倍以上的电流。将用于前照灯及投影仪等需要高亮度的用途。另外,氧化镓基板通过简单的溶液生长即可形成,因此是一种可实现低成本化的技术,还能用于照明等用途。

由于β-Ga2O3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成为当前美国、日本、德国等国家的研究热点和竞争重点。我国在β-Ga2O3晶体材料和器件方面的研究相对落后,尤其是功率器件和光电子器件的研究很少,关键原因是受限于大尺寸高质量β-Ga2O3晶体的获得。

由于高温下Ga2O3分解生成GaO、Ga2O、Ga产物,挥发严重且腐蚀铱金坩埚,并且其易于产生挛晶、镶嵌结构、螺位错缺陷,因此生长大尺寸、高质量β-Ga2O3单晶极为困难。

同济大学物理科学与工程学院唐慧丽副教授、徐军教授团队采用自主知识产权的导模法技术成功制备出2英寸高质量β-Ga2O3单晶,通过建立合理的热场温度分布,结合生长过程中的氧化气氛、气压调控,有效抑制了Ga2O3的分解挥发;同时解决了多晶生长、挛晶、镶嵌结构、开裂等缺陷问题。获得的高质量β-Ga2O3单晶,X射线双晶摇摆曲线半高宽27″,位错密度3.2×104 cm-2,表面粗糙度<5?,该项研究成果将有力推动我国氧化镓基电力电子器件和探测器件的发展。

研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划、上海市科学技术委员会基金等项目的支持。


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