氧化镓，进展如何？ - 联盟动态中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

摘要

在美国，电能占一次能源使用总量的 40%，而且随着电动汽车、可再生能源发电和能源存储的出现，预计电能的使用量还将迅速增长，因此，电力电子产品正变得越来越重要。由于硅材料已达到极限，因此需要更适合大功率应用的新材料。β-相氧化镓（β-Ga2O3）的带隙为 4.9 eV，理论击穿电场为 8 MV cm-1，Baliga 优值为 3300，是 SiC 和 GaN 的 3-10 倍，因此是一种很有前途的超宽带隙（UWBG）半导体材料，可用于大功率和射频电子器件。此外，β-Ga2O3是唯一一种可以从熔体中生长的 WBG 材料，这使得低成本、高质量、可掺杂的大型衬底成为可能。在 β-Ga2O3和 β-(AlxGa1-x)2O3异质结构的高质量外延生长方面所做的巨大努力，已经为大功率和射频应用带来了高性能器件。在本报告中，我们全面总结了 β-Ga2O3场效应晶体管 (FET) 的研究进展，包括各种晶体管设计、沟道材料、欧姆接触形式和改进、栅极电介质和制造工艺。此外，还介绍了通过模拟提出但尚未在 β-Ga2O3中实现的新型结构。此外，还讨论了缺陷表征方法和相关材料制备、热研究和管理等主要问题，以及所研究的替代品中缺乏p型掺杂的问题。最后，还将概述商业用途的主要战略和前景。

1.简介

功率半导体市场在 2022 年增长了 30%，随着越来越多的电能通过功率电子器件传输，预计未来十年将由2019 年的 30% 持续增长至 80%[1,2]。大功率半导体应用分为大功率（低频）和高频、射频。Si 功率器件在击穿电压达到 6.5kV 时达到极限，并且具有高达 200◦C 的高温耐力[3]，而宽带隙（WBG）材料具有更高的效率、更大的额定功率、更高的开关速度和射频性能。虽然碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）一直是商用器件中占主导地位的宽带隙半导体，但是超宽带隙（UWBG）β 相氧化镓（β-Ga2O3）正逐渐成为下一代大功率和射频电子器件的材料。

β-Ga2O3的带隙为4.7-4.9 eV，理论击穿场强为8 MV cm-1，电子饱和速度高达2×107cm s-1。β-Ga2O3的反映直流传导损耗特性的巴利加优值（BFOM）和反映射频性能的约翰逊优值（JFOM），均高于氮化镓和碳化硅[4-7]。此外，β-Ga2O3 能够从熔体中生长出块状基底，使其与碳化硅和氮化镓相比具有显著的成本优势[8]。然而，β-Ga2O3也面临着缺乏浅 p 型掺杂剂和热导率低的困难和挑战，这对于散热至关重要的大功率器件应用来说尤其困难。尽管已制造出具有高性能的 p 型氧化物异质结构，但是有关 β-Ga2O3的研究大多仍集中在单极器件上。

随着材料质量和制造工艺的不断改进，大功率和射频 β-Ga2O3场效应晶体管 (FET) 取得了长足进步。据报道，大功率横向场效应晶体管的击穿电压高达 10 kV，BFOM 接近1GW cm-2，而垂直器件尚未实现类似的性能。限制垂直场效应晶体管的因素主要是缺乏 p 型掺杂剂，这最大程度地降低了电流阻断能力、栅极电介质质量、稳定性和稳健性[9]。第 3 节中讨论的许多在横向场效应晶体管上完成测试的场效应晶体管结构和材料改进方法，同样可以应用于垂直器件。由于 β-Ga2O3器件的单极性质，大多数 βGa2O3 FET 都是耗尽型（D-mode）或常开型。D 型场效应晶体管的闭态电漏比增强型（E 型）或常闭型场效应晶体管更为突出，但其制造难度更大，通常需要对异质界面进行能带弯曲，以耗尽现有沟道。射频场效应晶体管主要是横向器件，具有较薄的沟道层和高度扩展的栅极长度，可实现较强的栅极控制并减少寄生。利用δ掺杂和调制掺杂等技术，可形成具有高载流子浓度和迁移率的二维电子气体（2DEG）。据报道，该器件在高击穿电场下的最大振荡频率接近 50 GHz，显示了未来大功率射频 β-Ga2O3 FET 的发展潜力。随着该领域已经取得的巨大进步，β-Ga2O3 已成为大功率和高频应用的有力候选材料，但也并非没有挑战需要克服。

以往有关 β-Ga2O3 FET 的综述文章报道了器件设计和性能方面的时序发展[10]，或特别关注射频 FET [7]、E 型 FET [11]，或垂直GaN和β-Ga2O3 FET [9]。其他综述论文则涉及为大功率和射频应用而设计的场效应晶体管[12,13]。本综述通过分别讨论场效应晶体管制造的不同步骤，从结构、材料、欧姆触点、栅极电介质到材料制备，为当前和未来的 β-Ga2O3高功率和射频场效应晶体管研究人员提供帮助。文章还概述了各种材料和 FET 缺陷表征技术。

本文全面概述了 β-Ga2O3 FET 的研究进展、当前面临的挑战以及克服这些挑战的潜在策略。第 2 节讨论晶体结构和材料特性，包括 FOM 比较、晶体生长和外延生长以及 β-Ga2O3的掺杂。第 3 节回顾了许多最新的应用于大功率和射频方面的晶体管设计。第 3.1 节重点介绍已实现的结构，以及通过技术计算机辅助设计 (TCAD) 提出的结构。第 3.2 节概述了采用不同沟道和衬底材料的场效应晶体管，如沟道中的半绝缘同质外延层或异质结构层，以及高导热衬底。第 3.3 节回顾了用于形成高质量欧姆接触的金属和工艺，第 3.4 节概述了用于 βGa2O3 FET 的不同栅极电介质。第 4 节讨论了缺陷工程、各种表征方法和材料制备对提高界面质量的重要性。第 5 节概述了当前将 β-Ga2O3器件推向市场所面临的挑战以及步骤。第 6 节简要概述了 β-Ga2O3 FET 最有前景的应用和发展趋势。而后，第 7 节总结了 β-Ga2O3的进展，并展望了 β-Ga2O3的未来。

2. β-Ga2O3的晶体生长和材料特性

2.1不同物相

1952 年，Roy 等人利用加利亚凝胶-水体系发现了Ga2O3的五种同分异构体（α、β、γ、δ 和 ε），并确定 β 相为稳定形态 [14]。Yoshioka等人利用第一性原理计算发现，不同相的理论形成能依次为β < ε < α < δ < γ，证实了β-Ga2O3是稳定的，而其他多晶体则表现出亚稳态特性，在高温下转变为β-Ga2O3[15]。2013 年，Playford 等人通过 Ga5O7(OH)在 500 ◦C 以上的热分解发现了另一种亚稳态相（κ）[16]。Roy 等人和 Playford 等人汇编的相变见参考文献 [17]。

β-Ga2O3的晶体结构为单斜晶系，属于 C2/m 空间群，晶格常数为 a = 12.2 Å，b = 3.0 Å，c = 5.8 Å，α = 90◦，β = 104◦，γ = 90◦（图 1a）。这种独特的结构具有两个 Ga 位点（一个为四面体几何结构，一个为八面体几何结构）和三个 O 位点，导致其许多材料特性具有高度各向异性[18-21]。

2.2材料特性

利用第一原理密度泛函理论（DFT）计算出β-Ga2O3的能带结构如（图 1b）显示，其间接带隙为 4.84 eV，直接带隙为 4.88 eV；然而，由于β-Ga2O3 的带隙非常接近，因此在很大程度上被认为是直接带隙半导体。导带色散估计电子有效质量≈0.28 me，其中 me 为静止电子质量。然而，价带几乎没有色散，因此，由于空穴的局部自俘获，价带显示出非常大的空穴有效质量[19,23]。

实验观测到的带隙范围在 4.7 到4.9 eV 之间 [19,24]，预测临界击穿电场 Ebr 为 6-8 MV cm-1。为了比较半导体在高功率应用中的优越性，人们开发了各种优越性指标（FOM），下面将对这些指标进行讨论。巴利加优值（Baliga FOM，BFOM）是对材料直流传导损耗的估计，定义为ε‧μ‧Ebr3（其中ε为材料介电常数，μ为载流子迁移率）和器件的 Vbr2 Ron,sp-1 （其中 Vbr 为击穿电压，Ron,sp 为具体的导通电阻）。βGa2O3的理论巴利加优值约为28 GW cm-2，是硅的3214倍。其他功率器件指标包括代表功率频率能力的约翰逊优值（JFOM）、衡量开关损耗的巴利加高频优值（BHFFOM）、表示功率密度和导热速度性能的凯斯优值，以及作为芯片领域要求指标的黄芯片领域制造优值（HCAFOM）。表 1 总结了 β-Ga2O3与其他材料相比的材料特性和优值[6,12,25]。

值得注意的是，β-Ga2O3在[010]晶向的热导率为 27.0 W m-1 K-1，而在[100]晶向的热导率为 10.9 W m-1 K-1[26]。与其他（超）宽带隙（(U)WBG）材料相比，[010] β-Ga2O3和[100] β-Ga2O3的热导率差异似乎并不大；然而，模拟结果表明，器件的最大温升与热导率呈递减关系，[100]和[010] β-Ga2O3的模拟最大温升分别约为105 ◦C和61 ◦C。另一方面，碳化硅和金刚石的模拟最大温升分别约为 34 ◦C 和 30 ◦C[27]。

在低于1018-1019的低掺杂浓度下，电子与极性纵向光学（LO）声子的相互作用被认为是主要的散射机制，从而将理论体迁移率限制在≤250 cm2 V-1 s-1，而在较高的掺杂浓度下，杂质散射则占主导地位[28-30]。尽管β-Ga2O3的迁移率较低，但β-Ga2O3保持比GaN 和 SiC更高的优值，这是因为β-Ga2O3与击穿电压呈平方或立方关系，而与迁移率仅呈线性关系。

表 1. 与其他半导体相比，β-Ga2O3 的材料特性和相对于Si的优值 [6,12,31]。

2.3晶体生长

β-Ga2O3的最大优势之一是可以通过熔融生长实现超低成本、大尺寸（直径 100-150 毫米）、高质量衬底的潜力。β-Ga2O3是唯一可以从熔体中生长的宽带隙半导体，因此，β-Ga2O3晶片的成本预计将比 SiC 便宜约 80%[8]。不同的块状晶体生长技术有：导模法（EFG）[32,33]、悬浮熔融法（CZ）[34]、垂直布里奇曼（VB）[35,36]、浮区法（FZ）[37,38]和维尔纳伊法[39,40]。在所有方法中，EFG 迄今已生长出大尺寸、高质量、低缺陷密度且掺杂范围相对较宽的衬底 [22,41]。

2.4外延生长

目前已开发的 β-Ga2O3薄膜生长方法主要包括分子束外延（MBE）、等离子体辅助外延（PAMBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、卤化物气相外延（HVPE）和低压化学气相沉积（LPCVD）。MBE 的优点是能生长出杂质较少的高质量薄膜，并能精确控制生长速度和掺杂量（1016-1020 cm-3）。但是，它的生长速率较低，仅为 0.05-0.18 μm h-1，这使得它不适用于垂直器件中的厚外延层，但却是横向薄沟道器件的理想选择。PAMBE 使用活性氧源来帮助 β-Ga2O3薄膜的生长，并已被证明可降低背底（非故意）杂质浓度 [42-44]。MOCVD 也被称为金属有机气相外延 (MOVPE)，也能以 0.8 μm h-1 的较高生长速率生长出掺杂量可控（1017-8 × 1019 cm-3）的高纯度薄膜，且成本低于 MBE，这使得MOCVD 有利于大规模生产。HVPE 的最小掺杂浓度为 1015 cm-3 量级，生长速率相当高，据报道最大生长速率为 250 μm h-1。因此，它被用于垂直器件的厚外延层生长 [45]。HVPE 生长速率较高是以薄膜质量较低，表面较粗糙，缺陷较多为代价的。LPCVD 是一种可规模化且成本较低的方法，可生产出高质量的薄膜，生长速率在 0.5 到 10 μm h-1 之间，掺杂量在 1017-1019 cm-3 范围内可控，并具有异质结性能 [46,47]。LPCVD 是三种生长技术中使用最少的，但可以为大规模生产水平的 β-Ga2O3晶圆提供途径。此外，与 HVPE 不同的是，MBE、MOCVD 和 LPCVD 可以生长异质结构。关于这些生长方法的更多详情，请参阅文献[17,48,49]。

2.5掺杂策略

我们利用 DFT 计算找到了 β-Ga2O3带隙中各种杂质、氧空位 (VO) 和镓空位 (VGa) 的能级。氧空位是导带（EC）下方超过1 eV的深施主，而镓空位是价带（EV）上方超过1 eV的深施主 [50,51]。这些空位对传导没有贡献，只是起到掺杂补偿的作用。通过 DFT 发现的浅施主包括 SiGa(I)（GaI 位点中的Si杂质）、GeGa(I)、SnGa(II)、ClO(I) 和 FO(I)，其能级非常接近 EC [52]；然而，实验中使用的供体大多是Si、Sn和 Ge [53,54]。N、Sr、Zn、Cd、Ca、Be、Mg 和 Fe 等受体杂质的能级都比 EV 高出 1.3 eV 以上，这表明不可能进行 p 型掺杂，这也是β-Ga2O3器件发展的一大挑战 [50,55]。深受主用于形成高阻半绝缘层。

利用随温度变化的霍尔和电导率测量值计算出MBE、LPCVD、CZ 和 EFG 样品中 Si 和 Ge 的施主能级在 EC 以下 15 到 31 meV 之间，表明为浅施主，而 Mg 和 Fe 的施主能级分别位于 EC-0.86 eV 和 EC-1.1 eV [53]。当载流子浓度接近 1015 cm-3 时，迁移率随载流子浓度关系的变化预计在 250 cm2 V-1 s-1 处趋于平缓，当载流子浓度超过 1017 cm-3 时，迁移率会显著下降（图 2）[31]。

虽然使用常规方法无法实现 p 型掺杂，但一些研究小组已经观察到了当补偿供体减少时空穴更容易传导 [56]。通过使用两性锌掺杂降低载流子的平均自由程，薄膜 β-Ga2O3的 p 型电导率达到了 13.2 MV cm-1 的超高击穿场强，超过了β-Ga2O3的理论击穿场强 [57]。另一种在高 n 型电导率和 p 型电导率之间进行调节的技术是控制 H 的掺入，在 H 直接扩散后，观察到p 型电导率的受主态高于EV 42 meV，而在氧气中退火填充氧空位后观察到n 型电导率的施主态低于EC 20 meV [58]。

3. β-Ga2O3 FET 设计

下文回顾了许多当前的场效应晶体管设计，包括其结构、沟道材料、衬底材料、欧姆接触形成和栅极电介质。此外，还讨论了它们的工艺步骤、使用案例、优点和缺点。下表比较了用于 D 型大功率（表 2）、E 型大功率（表 3）和 D-/E 型射频应用（表 4）的多种不同器件设计。表 4 还包括成熟的 GaN HEMT 和新兴氢端金刚石 HEMT 的射频性能，以说明其他材料系统与 β-Ga2O3的性能差异。

表 2. D 型大功率场效应晶体管的性能比较。

表 3. E 型大功率场效应晶体管的性能比较。

表 4. D/E 型射频场效应晶体管的性能比较。

3.1β-Ga2O3 FET 结构

3.1.1. MESFET 和δ掺杂

图 3a 中的金属半导体场效应晶体管 (MESFET) 由 Higashiwaki 等人制造，它是第一个被证实的单晶 β-Ga2O3晶体管 [101]。Rajan 小组随后报告的许多 MESFET 都采用了δ掺杂技术 [60,88,102-106]。Krishnamoorthy 等人 [102] 于 2017 年首次开发了δ掺杂技术，试图在 PAMBE 外延层生长过程中改善硅掺杂。硅源迅速氧化，降低了 β-Ga2O3中的硅掺杂水平，产生了掺杂尖峰。每间隔 1 分钟对硅快门进行 1 秒钟的脉冲处理，可去除氧化物，并产生具有 UID 间隔的均匀高掺杂区域（图 3b），从而产生了用于 β-Ga2O3器件的δ掺杂方法。这就产生了二维电子气 (2DEG)、高电子迁移率晶体管 (HEMT) 行为，提高了载流子面浓度和迁移率，并降低了接触电阻和面电阻。与 MOSFET 相比，MESFET 的这些改进和更低的栅极电容使δ掺杂的 MESFET 更适合射频应用。在 "再生层 "一节中讨论的再生欧姆接触是δ掺杂 FET 达到 2DEG 所必需的，因为它被 UID β-Ga2O3所包围。Rajan 小组利用再生触点、栅极连接场板 (GFP) 和栅极长度 (LG) 低至 120 nm 的高比例 T 型栅极结构制造了δ掺杂的 MESFET，以改善其低频和高频性能，其 BFOM 值为 118 MW cm-2 [60]，迁移率为 95 cm2 V-1 s-1 [104]，电流增益截止频率 (fT) 为 27 GHz（图 3c）[88]。3.1.5 节和 3.1.7 节还分别讨论了 GFP 和 T 型栅极结构。

图 3. (a) 2013 年报道的首个 MESFET。经 AIP 出版社许可，转载自 [101]。(b) 快门脉冲方案和掺杂变化，显示交替的 UID 层和均匀掺杂层。转自 [102]。© 日本应用物理学会。经 IOP 出版有限公司许可转载。保留所有权利。(c) 具有高截止频率和最高频率的高比例δ掺杂 T 型栅极。© (2019) IEEE。经授权转载自 [88]。(d) 具有低温/高温生长层的三栅 MESFET，具有超高迁移率和可忽略的 I-V 回滞。© (2022) IEEE。经授权转载自 [63]。