高質(zhì)量MBE外延薄膜性能與國際技術(shù)最高水平相當(dāng)（2025.01.13）
在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“大尺寸氧化鎵半導(dǎo)體材料與高性能器件研究” （項(xiàng)目編號(hào)：2022YFB3605500）支持下，廈門大學(xué)張洪良系統(tǒng)地研究了杭州富加鎵業(yè)科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱：富加鎵業(yè)）提供的分子束外延（MBE）制備氧化鎵薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì)，并與日本及美國科研團(tuán)隊(duì)成果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果表明富加鎵業(yè)所生長的氧化鎵 MBE 外延片電學(xué)性能與國外最高水平相當(dāng)。另外，與中科院上海光機(jī)所團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合變溫電輸運(yùn)性質(zhì)和高分辨光電子能譜技術(shù)研究了 Sn 摻雜激活機(jī)制和缺陷態(tài)微觀信息，為進(jìn)一步優(yōu)化摻雜策略和器件性能提供了指導(dǎo)，相關(guān)研究結(jié)果刊登在國際應(yīng)用物理知名期刊 Materials Today Physics （影響因子10.0）。
氧化鎵是一種新興的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有超寬的帶隙、超過的耐壓、高的熱穩(wěn)定性等優(yōu)異材料性能，是新一代功率電子器件、深紫外光電器件的優(yōu)選材料，在新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、導(dǎo)彈預(yù)警等高端領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用，氧化鎵也因此被譽(yù)為“第四代”半導(dǎo)體。氧化鎵材料和器件也因此受到全球各國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，發(fā)展迅速。2022 年 8 月美國和日本相繼對(duì)我國實(shí)行氧化鎵禁運(yùn)，凸顯其在國際戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)中的重要性。氧化鎵半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)鏈包括單晶襯底、薄膜外延和器件制作等主要環(huán)節(jié)。其中，外延薄膜是連接氧化鎵襯底和器件的關(guān)鍵卡脖子環(huán)節(jié)，其品質(zhì)決定了器件性能。要實(shí)現(xiàn)高性能的氧化鎵電子器件，就需要制備出低缺陷密度、高遷移率的外延薄膜，并對(duì)其電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行精確調(diào)控。MBE 技術(shù)在薄膜生長過程中能夠?qū)崿F(xiàn)原子層級(jí)別的精確控制，可以獲得低缺陷密度和極高界面質(zhì)量的薄膜，這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于橫向器件或構(gòu)筑界面二維電子氣實(shí)現(xiàn)高電子遷移率晶體管（HEMT）具有重要的意義。
富加鎵業(yè)是國內(nèi)最早開展 MBE 外延氧化鎵薄膜的單位之一，通過 MBE 技術(shù)成功生長了非故意摻雜（UID）Ga2O3 薄膜，其背景載流子濃度為 1.6 × 1016 cm-3，電子遷移率高達(dá) 129 cm2V-1s-1。在此基礎(chǔ)上，通過精確調(diào)節(jié) Sn 摻雜源 K-cell 的溫度，進(jìn)一步制備了具有不同 Sn 摻雜濃度的 Ga2O3 薄膜，實(shí)現(xiàn)了載流子濃度從1.7 × 1017 cm-3 到 2.8 × 1019 cm-3 的大范圍調(diào)控（圖 1a）。Sn 摻雜氧化鎵 MBE 外延薄膜的電學(xué)性能與日本 NCT（novel crystal technology）和美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校（UCSB）James Speck 教授團(tuán)隊(duì)利用 MBE 技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的最高水平相當(dāng)（圖 1b）。
圖1 （a）不同Sn源溫度得到的 Ga2O3 薄膜的載流子濃度及遷移率；（b）本工作與其他報(bào)道中 MBE 生長的 Ga2O3 薄膜遷移率-載流子濃度關(guān)系比較。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合變溫輸運(yùn)測(cè)試和國際上先進(jìn)的同步輻射硬X-射線光電子能譜（英國鉆石光源）對(duì)外延薄膜的電輸運(yùn)性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)性研究。研究揭示了 Sn 摻雜 Ga2O3 薄膜電輸運(yùn)機(jī)制、缺陷態(tài)和電子結(jié)構(gòu)等微觀信息隨 Sn 摻雜的演變規(guī)律和物理機(jī)制。
圖2 UID Ga2O3 的變溫（a） 載流子濃度與（b）遷移率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果；Sn 摻雜 Ga2O3 的變溫（c） 載流子濃度與（d）遷移率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果。
相關(guān)工作分別以“Transport and electronic structure properties of MBE grown Sn doped Ga2O3 homo-epitaxial films”為題發(fā)表在 Materials Today Physics 48, 101555 (2024) 上。