氧化镓（Ga₂O₃）材料、加工与器件研究综述
本文由S. J. Pearton（美国佛罗里达大学材料科学与工程系）、Jiancheng Yang与Patrick H. Cary IV（佛罗里达大学化学工程系）、Jihyun Kim（韩国高丽大学化学与生物工程系）、Marko J. Tadjer与Michael A. Mastro（美国海军研究实验室）合作完成，发表于2018年1月的《Applied Physics Reviews》期刊（卷5，文章编号011301）。这篇综述全面总结了氧化镓（Ga₂O₃）在材料特性、生长技术、掺杂缺陷、器件应用等领域的最新进展，重点聚焦于单斜晶系β-Ga₂O₃的潜力与挑战。
一、氧化镓的基本特性与多晶型
Ga₂O₃存在五种晶型（α、β、γ、δ、ε），其中β相在常温下最稳定，具有单斜晶系结构（空间群C2/m）。其显著特性包括： 1. 宽禁带（~4.9 eV）：高于SiC（3.25 eV）和GaN（3.4 eV），支持高耐压与深紫外光电器件。 2. 高临界电场（8 MV/cm）：理论击穿场强是SiC和GaN的2倍以上，适合高压功率器件。 3. 各向异性：电导率、热导率（[010]方向最高，29 W/m·K）和光学性质表现出显著方向依赖性。 4. 低成本衬底潜力：熔体生长法（如EFG，边缘限定薄膜生长法）可制备大尺寸β-Ga₂O₃单晶，成本低于SiC的气相生长技术。
二、β-Ga₂O₃的生长技术
体单晶生长
- EFG法：可生产4英寸晶圆，缺陷密度低至10³ cm⁻³，Sn或Si掺杂实现n型导电（载流子浓度10¹⁶–10²⁰ cm⁻³）。
- 垂直布里奇曼法（VB）：使用Pt-Rh坩埚，生长方向垂直于（100）晶面，适合高纯度晶体。
- 浮区法（FZ）：在空气中生长，退火可调控导电性。
外延技术
- MOCVD（金属有机化学气相沉积）：采用TMGa（三甲基镓）前驱体，生长速率达10 μm/h（900°C），Si掺杂降低堆垛层错密度。
- MBE（分子束外延）：Ga-rich条件下，（010）面生长速率（130 nm/h）高于（100）面，表面粗糙度 nm。
- Mist-CVD（雾化学气相沉积）：溶液法低温生长（500–630°C），可制备α-和ε-Ga₂O₃异质结构。
三、掺杂与缺陷的挑战
- n型掺杂：Sn、Si为常用施主，MOCVD生长的Si掺杂层载流子浓度达7×10¹⁸ cm⁻³，但迁移率较低（0.23 cm²/V·s）。
- p型掺杂困境：理论计算表明价带顶空穴有效质量大，易形成局域极化子，导致p型导电难以实现。
- 本征缺陷：氧空位（V_O）主导深能级，导致紫外-可见光区发光（380–600 nm），但具体机制仍存争议。
四、器件应用进展
功率电子器件
- 肖特基二极管：反向击穿电压>1 kV，Baliga优值（BFOM）为SiC的4倍。
- MOSFET/MESFET：得益于高临界电场，但自热效应（低热导率）需热管理方案。
日盲紫外探测器：利用4.9 eV禁带，响应波长<250 nm，适用于火焰传感与军事侦察。
气体传感器：对H₂、CH₄、CO等气体敏感，电导变化由表面吸附调控。
五、关键问题与未来方向
- 材料层面：需解决p型掺杂难题，开发高质量介电层（如ALD-Al₂O₃）以降低界面态。
- 器件层面：优化欧姆接触（Ti/Au比接触电阻~10⁻⁵ Ω·cm²）与干法刻蚀工艺（Cl₂/Ar等离子体）。
- 热管理：通过异质集成（如金刚石衬底）缓解低热导率（0.1–0.3 W/cm·K）的限制。
六、科学价值与行业意义
- 学术贡献：系统梳理了β-Ga₂O₃的能带结构、缺陷物理及异质外延机制，为后续理论建模提供依据。
- 产业潜力：低成本衬底与高压性能使其在智能电网、电动汽车等领域有望替代SiC/GaN。
亮点总结
- 多晶型对比：首次汇总五种Ga₂O₃晶型的弹性常数、热膨胀系数与相变条件。
- 生长技术突破：MOCVD实现10 μm/h高速率生长，Mist-CVD展示非真空低温外延可能性。
- 器件创新：报道了首例kV级β-Ga₂O₃整流器，验证其超高压应用潜力。
本文为宽禁带氧化物半导体研究提供了里程碑式参考，尤其推动了对下一代功率电子材料的探索。