β-氧化镓电子和光子器件的层状和块状结构

CC科学讲座1（2022）100001层状和块状β-氧化镓电子和光子器件S.J. Peartona， P.哦，B，S。Kimb，Jihyun Kimb，F.任Ca美国佛罗里达州盖恩斯维尔市佛罗里达大学材料科学与工程系b韩国首尔高丽大学化学与生物工程系c美国佛罗里达州盖恩斯维尔佛罗里达大学化学工程系自动清洁装置文章历史记录：2022年1月28日收到2022年1月31日接受保留字：氧化镓叶状结构电力电子学光电探测器宽禁带半导体整流器边缘终止辐射损伤A B标准单斜氧化镓（β Ga2O3）由于其具有宽的EG（4.6- 4.9eV）、良好的电子迁移率（> 200 cm 2 /Vs）和约8 MV/cm的Ec等优良的材料特性，与其它超宽带隙材料相比，β-Ga2O3基片价格低廉，降低了功率器件的制造成本。具有日盲功能的深紫外线探测器的应用包括检查高压输电线路的电晕和局部放电，探测火灾和各种防御系统。硅基和砷化镓基紫外PD并不是真正的日盲，因为需要额外的、笨重的可见光阻挡滤光片。在这篇简短的评论中，我们讨论了使用散装和剥离的β-Ga2O 3的这些应用，并将其与基本表面和材料对高温，辐射暴露和典型的半导体加工步骤的反应联系起来。该材料可以容易地沿着（100）表面裂开，并且具有（100）A表面终止的层具有比（100）B终止更高的能量实验观察到（100）B解理面是最有利的解理面。本 文 的 视 频 可 以 在 j.sctalk.2022.100001 上 找 到 。https://doi.org/10.1016/图和表带隙>4eV的超宽带隙半导体正被用于更高效的电力电子开关系统和真正的日盲紫外检测。基于宽带隙半导体的电力电子技术的发展正吸引着人们的极大兴趣，因为它有可能实现更高的开关效率，并能够在更高的功率和温度下工作在未来十年内，预计美国约80%的电力将通过电力电子设备传输其中包括配电系统、电动汽车快速充电器、数据中心电源供应、船舶电力系统和可再生风能/太阳能一体化。SiC和GaN功率电子器件现已商业化，并提供比传统Si基器件更高效的性能。高击穿电压、低导通电阻和低开关损耗的组合在超宽带隙半导体中得到改善，例如Ga 2 O 3、金刚石和AlN [1-6 ]。 这导致了它们的高巴利加品质因数（BFOM），定义为ε.UNF. E 3，其中ε，μ和E分别是介电常数，载流子迁移率和临界击穿场强[ 7-11 ]。在这些超宽带隙半导体中，单斜晶系的氧化镓（β-Ga2O3）由于其大的击穿电场而备受关注。1.一、通讯作者。电子邮件地址：spear@mse.u.edu（S. J. Pearton）。h tt p：//dx. 多岛或g/10。1016/j。我的天啊。20 22. 1 0 0 00 127 7 2 - 56 93/©20 2 2T h e Au th or s. 由ElsevieLtd发布 这是一个在CCB Y-NC-ND许可证（http：//c re ati ve c o m on s. or g/lic ens es/by-nc-n d/4。0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表科学讲座杂志首页：www.elsevier.es/sctalkS.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000012Fig. 1.各种半导体的击穿场与带隙。Ga2O3的单斜多型体提供比任何一种商业化的半导体GaN和SiC更高的电压能力。这允许高电压能力，有效的开关（低导通电阻，Ron），高温操作和低生产成本，因为能够生长大的熔体生长晶体。Ga2 O3的α-多型体具有甚至更大的带隙（5.1 eV）并且几乎与蓝宝石晶格匹配[12，13]。还可以生长（AlxGa1-X）2O3、（InxGa1-X）2O3合金，其带隙范围为3- 8.5eV。缺点包括Ga2 O3的低热导率和缺乏实际的p型掺杂。图二、氧化镓表面和解理。（a）具有（b）（100）B和（c）（100）A表面封端双层的β-Ga2O3的常规单元电池。 在该多型体中，存在两个对称不等价的Ga原子，表示为Ga 1和Ga 2，它们分别具有八面体和四面体配位。 有三个不等价的氧原子，记为O1、O2和O3。该材料可以容易地沿着（100）表面和具有比（100）B末端具有更高能量的（100）A表面末端的层裂开实验观察到（100）B解理面是最有利的解理面可以制造本体和剥离的装置两者S.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000013图3.第三章。通过边缘终止方法缓解场拥挤。 为了防止整流器结构上肖特基接触边缘的电场击穿，采用了各种边缘终止方法，例如将电极延伸到电介质层上，称为场板（如图所示）[7-11 ]。图四、Ga2O3上的金属接触显示出一定的费米能级钉扎.理想金属-半导体接触的肖特基-莫特（Schottky-Mott）理论表明，势垒高度应满足ΦB=ΦM-εs，其中ΦB是肖特基势垒高度，ΦM是金属的功函数，εs是半导体的电子亲合性。实验上观察到，(100) β-Ga2O3的势垒高度与功函数之间有很强的正相关性，而（−201）β-Ga2O3的势垒高度与功函数之间没有明显的相关性。（010）β-Ga2O3取向呈混合相关.费米能级钉扎在（-201）表面上是由于其较高的氧氧空位浓度和氧悬挂键图五、场镀Ga2 O3二极管，VBD为2300 V。已经展示了各种高压、大面积垂直整流器和MOSFET，电压高达~4kV和单独，单扫描模式下的电流高达135 A [6用喷雾外延法生长的刚玉结构氧化镓肖特基势垒二极管的导通电阻为0.1mΩcm2异质结已被证明使用Cu2 O，NiO或IrO2作为p型氧化物[14 横向场效应晶体管在射频应用中也很有前景，具有高Ecrit，可实现超低的总动态开关功率损耗、芯片尺寸减小和快速开关频率，并降低电路级的无源能量存储要求。在实验上，已经实现了超过一半的预期迁移率和Ecrit，多组横向Ga2 O3 FET的平均Ecrit约为4 MV cm−1 [1，4，6]。S.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000014图六、Ga2 O3的剥离过程。 也可以在机械剥离的石蜡上制造装置[18-28 ]。图7.第一次会议。剥离层保持优良的结晶性能。 拉曼光谱显示没有扰动的剥离过程中，而TEM显示良好的晶体质量。[001]和[100]之间的角度为103.5°，（200）和（002）之间的距离与文献值一致沿（100）面剥落。S.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000015图8.第八条。高温下的背栅场效应晶体管。 在升高的操作温度下TFT的I-V。 I DS由具有良好饱和和尖锐夹断特性的V GS调制。n型沟道。高达250 °C时无电击穿这些器件可以在升高的温度下提供高功率，这在低维器件中还没有得到证实在空气环境中储存一个月后，没有降解，具有优异的空气稳定性[18]。图9.第九条。 栅场电镀漏磁场效应晶体管。 采用场板能够在这些横向器件中实现显著更大的击穿电压。S.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000016图10个。基于E X F的等离子体可以调整晶体管的厚度和阈值电压[22，23]。图十一岁石墨烯电极日盲光电探测器 MSM光电探测器（PD）可能遭受低响应度。与采用不透明Ni/Au金属电极的MSM PD相比，采用石墨烯电极的MSM PD表现出优异的工作特性，包括响应度（~ 29.8A/W）、PDCR（~ 106%）、抑制比（R254 nm/R365 nm，~9.4 ×103）、探测率（~ 1012Jones）和工作速度。石墨烯电极的遮蔽最小化允许最大程度地暴露于入射光子，这表明了UV应用的潜力MSM型（通过SBH的暗低漏电流）和光电导型（UV-C光电流+注入电流）之间的过渡，因为石墨烯是UV透明的[29]。S.J. Pearton等人科学讲座1（2022）1000017图12个。不同辐射形式的载波损耗比较 α粒子是最具破坏性的，其次是质子，中子，电子和伽马射线[30]。主要结论是，β-Ga2O3的体晶、外延和机械剥离可以制成有用的器件，主要器件有整流器、射频晶体管、紫外光探测器等。对于功率器件，边缘端接设计正在改进，过早击穿仍然发生在接触边缘。漂移层厚度大于30 μm时，V B超过4kV。在单扫描电压模式下实现了高达135 A的正向电流还需要进行热管理准二维β-Ga2O3是太阳盲光电二极管和高压纳米电子学的理想材料p、e、n、α和γ辐照的初始数据显示出与相同条件下的GaN器件相似或更高的抗辐照性 所有关于Ga 2 O 3的初步工作都表明其在恶劣环境下的高功率纳米电子器件和深紫外光探测器以及纳米电子学中的电源电路和冷却系统的小型化方面的应用。CRediT作者贡献声明斯蒂芬·皮尔顿：写作&S. 哦：概念化，方法论。S. KIM：数据管理。Jihyun Kim：概念化，调查。范仁：监制，撰稿&致谢这项工作由国防威胁减少局（DTRA）资助，作为电离辐射与物质相互作用大学研究联盟（IIRM-URA）的一部分，合同号为HDTRA 1 -20-2-0002。信息的内容不一定反映联邦政府的立场或政策，也不应推断官方认可。UF的工作也得到了NSF DMR 1856662（James Edgar）的支持。申报利益作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，可能会影响本文报告的引用[1]S. Pearton ， F. 任 ， M 。 Tadjer ， J. Kim ， Perspective ： Ga2 O3for ultra-highpower rectifiers and MOSFET ， J. Appl. Phys. 124 （ 2018 ） ， 220901 ，https://doi.org/10.1063/1.5062841.[2]H. Peelaers，J.Lyons，J.瓦利角Van de Walle，Deep acceptor and their diffusionin Ga2 O3，Materials 7（2019），022519，https://doi.org/10.1063/1.5063807.[3]X. Chen，F. Ren，S.顾军，叶杰，镓氧化合物基日盲紫外光探测器的研究进展，光子学。Res. 7（2019）381，https://doi.org/10.1364/PRJ。七点零零零三八一。[4]H.W. 薛启明，何光忠，石炳龙，庞涛，刘明，超宽带隙Ga2O3肖特基势垒二极管在电力电 子 中 的 应 用 ， Nanoscale Res. Lett.13 （ 2018 ） 290 ， https://doi.org/10 。1186/s11671-018-2712-1。[5]李文申，胡宗阳，野本一树，张泽轩，徐瑞源，广图绍，佐佐木宏平，仓俣明人，Debdeep Jena，Huili Grace Xing，1230 V β-Ga2O3沟槽肖特基势垒二极管，具有超低漏电流<1 μA/cm2，应用物理快报. 113（2018），202101，https://doi.org/10.1063/1.5052368[6]S. 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