电力电子器件作为电力设备和电子系统中实现电能变换和控制电路方面最为重要的电子元器件，被誉为电能转换和传输的核“芯”。近年来第三代半导体氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为电力电子器件发展注入了新动力，其器件性能已超越了传统硅（Si）基器件的理论极限。而新型超宽禁带半导体氧化镓（Ga₂O₃）带隙高达4.9 eV，且具有更为优异的击穿场强和巴利加优值，在电力电子器件方面发展前景广阔。

目前，虽然Ga₂O₃单极型器件性能已超越了SiC材料极限，但p型Ga₂O₃掺杂等问题制约了器件性能的进一步提升。单极型Ga₂O₃场效应晶体管（FET）器件也因此无法实现增强型（E-mode）的工作模式，成为了Ga₂O₃电力电子器件在实际电路应用中的障碍。因此，如何实现稳定可靠的E-mode Ga₂O₃ FET已经成为Ga₂O₃电力电子器件领域的热点与难点。

近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台基于前期工作基础，通过对相关文献的调研，对E-mode Ga₂O₃ FET材料外延与器件工艺的研究进展进行了整理和归纳。首先，从金属有机化合物气相沉积（MOCVD）和卤化物气相外延（HVPE）等工艺出发，详细介绍了Ga₂O₃材料外延工艺的关键技术，展示了Ga₂O₃电力电子器件研究的概况。随后，综述了E-mode Ga₂O₃ FET的最新研究进展，包括相关制备工艺的具体细节和器件的阈值电压、导通电阻等关键参数。通过对不同结构的器件性能比较，清晰地展示了设计结构的优势和劣势，厘清设计思路，对E-mode Ga₂O₃ FET的研究与开发具有指导意义。此外，综述对Ga₂O₃ FET的击穿电压、散热性能等其他参数也进行了简单介绍。

该文章以题为“A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga₂O₃ FETs: growth, devices and properties”发表在Journal of Semiconductors上。中国科学院苏州纳米所博士生李博同为论文的第一作者，中国科学院苏州纳米所张宝顺研究员为通讯作者。

图1. （a）氧气退火处理工艺的增强型氧化镓场效应管；（b）p型氧化镍栅极的增强型氧化镓场效应管；（c）多层铁电栅介质的增强型氧化镓场效应管；（d）氮离子注入工艺的垂直凹栅强增型氧化镓场效应晶体管。

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A comprehensive review of recent progress on enhancement-mode β-Ga₂O₃ FETs: Growth, devices and properties

Botong Li, Xiaodong Zhang, Li Zhang, Yongjian Ma, Wenbo Tang, Tiwei Chen, Yu Hu, Xin Zhou, Chunxu Bian, Chunhong Zeng, Tao Ju, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang

J. Semicond. 2023, 44(6): 061801  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061801

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功率器件常用于开关控制和大功率电路驱动，在多种场合中具有广泛的应用。随着电动汽车、5G网络和物联网（IoT）的快速发展，硅基器件逐渐达到了其物理极限，传统的硅基功率器件已难以满足许多超高功率应用的需求。宽禁带半导体材料氧化镓（β-Ga₂O₃）具有约4.8 eV的禁带宽度、高达8 MV/cm的临界电场、约3000的巴利加优值系数（BFOM）、可用熔融法生长等优秀的性质，是制备下一代功率器件的潜力材料。通过硅或锡掺杂，β-Ga₂O₃可以实现浓度在10¹⁵-10¹⁹ cm^-3范围内可调的N型导电。然而，由于较大的受主杂质激活能和空穴自陷能，实现β-Ga₂O₃的P型导电是非常困难的，这也成了β-Ga₂O₃同质双极型器件发展的主要阻碍。双极型结构通常具有低漏电流、高热稳定性和良好的抗浪涌能力，在功率器件设计中有着广泛应用。为了实现β-Ga₂O₃双极型器件，一个可行的方法是使用P型半导体材料如氧化锡（SnO）、氧化亚铜（Cu₂O）、氧化镍（NiO）等与N型β-Ga₂O₃构建异质结，而NiO以其3.6-4.0 eV的大禁带宽度和可控的P型掺杂，成为其中的主流选择。2020年，Lu等人报道了用溅射法制备的NiO薄膜和β-Ga₂O₃构建的异质结，实现了第一个具有千伏级击穿电压的β-Ga₂O₃双极型器件。随后，许多研究人员在提升NiO/β-Ga₂O₃异质pn结性能等方面取得了显著进展。此外，NiO/β-Ga₂O₃异质结结构也被广泛用于其它器件结构，如结势垒肖特基二极管（JBS）、结场效应晶体管（JFET）和边缘终端（ET）结构等。

近日，中山大学卢星副教授、王钢教授团队总结了NiO/β-Ga₂O₃异质结在功率器件领域的研究进展，并对其未来的发展做出了展望。综述从NiO/β-Ga₂O₃异质结的构建、表征和器件性能三个方面展开，讨论了溅射法制备的NiO/β-Ga₂O₃异质结的结晶性质、能带结构和载流子运输特性，并介绍了包括NiO/β-Ga₂O₃异质pn结二极管（HJD）、结势垒肖特基二极管、结场效应晶体管和基于NiO/β-Ga₂O₃异质结的边缘终端结构及超结（SJ）结构在内的多种器件结构的最新进展。此外，文中还针对NiO/β-Ga₂O₃异质结实际应用中存在的如材料质量、器件结构优化、界面态和器件可靠性等关键问题进行了总结和展望。

该综述总结了NiO/β-Ga₂O₃异质结在功率器件领域的发展现状，为之后设计高性能的NiO/β-Ga₂O₃异质结器件提供了参考，对β-Ga₂O₃双极型器件未来的发展起到了积极的作用。

该文章以题为“Recent advances in NiO/Ga₂O₃ heterojunctions for power electronics”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. NiO/β-Ga₂O₃异质结功率器件发展里程碑。

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Recent advances in NiO/Ga₂O₃ heterojunctions for power electronics

Xing Lu, Yuxin Deng, Yanli Pei, Zimin Chen, Gang Wang

J. Semicond. 2023, 44(6): 061802  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/061802

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β-Ga₂O₃击穿场强8 MV/cm、Baliga品质因数3444，以及单晶可熔体法生长等优势，使其成为最具发展前景的超宽禁带半导体材料之一。目前β-Ga₂O₃功率电子器件已显示出卓越的器件性能，为进一步挖掘其潜力，实现β-Ga₂O₃薄膜的高质量外延生长与可控掺杂必不可少。β-Ga₂O₃主要具有(100)、(010)、(001)和(−201)四种取向的衬底，同质外延β-Ga₂O₃薄膜仍面临孪晶、堆垛层错等各种挑战。其中，(100)取向的衬底制备相对容易且具备大尺寸优势，但该晶面表面能低，导致薄膜生长时岛状生长模式显著，使得(100)面的外延十分具有挑战性。此外，目前β-Ga₂O₃薄膜的n型掺杂受限，高浓度的掺杂如欧姆接触的实现通常都采用高剂量的Si离子注入，产生较大的损伤。因此，实现高质量(100)面β-Ga₂O₃薄膜的同质外延生长及可控的Si掺杂具有重要意义。

近日，中国科学院苏州纳米所纳米加工平台与上海光机所齐红基团队通过金属有机化学气相沉积（MOCVD），在半绝缘的(100)面 β-Ga₂O₃衬底上实现了高质量的β-Ga₂O₃薄膜外延生长及Si掺杂。通过优化生长条件（如VI/III比值、温度和腔室压力）抑制了β-Ga₂O₃薄膜中的岛状生长模式，并在对薄膜的Si掺外延中，发现Si作为成核点优化生长动力学，可促进薄膜横向合并，改善了薄膜的表面形貌，(100)面β-Ga₂O₃薄膜表面粗糙度为1.3 nm，实现了5.41 × 10¹⁵ cm^-3到1.74 × 10²⁰ cm^-3的有效净掺杂浓度。对于载流子浓度为7.19 × 10¹⁸ cm^-3的样品，激活效率约61.5%，室温迁移率约为51 cm²/(V·s)。此外，对于Si掺杂浓度为1.64 × 10²⁰cm^-3的外延薄膜，表现出良好的欧姆接触特性，具有3.73 Ω·mm的接触电阻，方块电阻为1084 Ω/□，比接触电阻率低至1.29 × 10^-4 Ω·cm²，与Si注入样品的电学特性相当，表明在β-Ga₂O₃薄膜的MOCVD生长中实现了可控有效的n型掺杂，为降低β-Ga₂O₃器件欧姆接触电阻、提高器件性能提供了可行方案。

该文章以题为“Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga₂O₃ films via MOCVD”发表在Journal of Semiconductors上。中国科学院苏州纳米所博士生唐文博为论文的第一作者，中国科学院苏州纳米所张宝顺研究员、中国科学院上海光机所齐红基研究员为通讯作者。

图2.  基于TLM的β-Ga₂O₃薄膜的IV特性。(a) 线性坐标；(b) 半对数坐标；(c) 总电阻与金属接触点间距的关系。

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Homoepitaxial growth of (100) Si-doped β-Ga₂O₃ films via MOCVD

Wenbo Tang, Xueli Han, Xiaodong Zhang, Botong Li, Yongjian Ma, Li Zhang, Tiwei Chen, Xin Zhou, Chunxu Bian, Yu Hu, Duanyang Chen, Hongji Qi, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang

氧化镓（Ga₂O₃）作为新兴的第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、强抗辐射能力强等优越性能，与Si、SiC、GaN等半导体材料相比，更适合用于制备电力电子器件，如肖特基势垒二极管（SBD）、异质结二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等，在先进信息技术和新能源领域具有广泛的应用前景。Ga₂O₃可形成五种晶体结构，包括热稳态晶相（β-Ga₂O₃）和介稳态晶相（α-, ε-, γ- Ga₂O₃等）。与热稳态的单斜晶相β-Ga₂O₃相比，刚玉结构的介稳态晶相α-Ga₂O₃具有更大的禁带宽度和更高的击穿场强，因此更适合于电力电子器件的制备。

然而，衬底晶面取向对α-Ga₂O₃薄膜的结晶质量和电学性能有较大的影响，进而影响α-Ga₂O₃基电子器件的性能。一方面，α-Ga₂O₃电学性质的各向异性可能与导带的各向异性有关；另一方面，不同晶面下的缺陷形成难易度对电学性能也起着十分重要的影响。因此，非常有必要研究蓝宝石衬底晶面取向对α-Ga₂O₃薄膜的异质外延和电学性能的影响。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队的科研人员采用PLD技术系统地研究了a面、m面和r面蓝宝石衬底上α-Ga₂O₃薄膜的外延关系和电学性能的差异。实验结果显示，外延生长的α-Ga₂O₃薄膜分别与同为刚玉结构的蓝宝石衬底具有一致的面外及面内生长取向。在相同的工艺条件下，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜比a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜具有更好的导电性能。有意思的是，m面和r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的氧空位浓度也显著高于在a面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的氧空位浓度。由此推测，在不同晶面取向蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的导电行为可能与氧空位的浓度有关，而形成能可能强烈依赖于晶格取向，从而导致掺杂原子的激活能和载流子输运行为的显著差异。但各向异性和结晶度对电学性能影响的机理还有待进一步的研究。

该研究为生长可调控电学性能的α-Ga₂O₃薄膜时的衬底选择提供了新思路，也为探索不同晶面α-Ga₂O₃薄膜电学性能差异的机理提供了基础，有助于发展氧化镓半导体器件。

该文章以题为“Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga₂O₃ films on differently oriented sapphire substrates”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. α-Ga₂O₃在 (a) a面；(b) m面；(c) r面蓝宝石衬底上的PLD外延生长关系示意图。

表1. 在a面、m面以及r面蓝宝石衬底上外延生长的α-Ga₂O₃薄膜的膜厚（d）、电导率（σ）、迁移率（μ）和载流子浓度（n）。

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Exploring heteroepitaxial growth and electrical properties of α-Ga₂O₃ films on differently oriented sapphire substrates

Wei Wang, Shudong Hu, Zilong Wang, Kaisen Liu, Jinfu Zhang, Simiao Wu, Yuxia Yang, Ning Xia, Wenrui Zhang, Jichun Ye

J. Semicond.  2023, 44(6): 062802  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062802

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氧化镓 (Ga₂O₃) 作为超宽禁带半导体材料，未来在功率器件、深紫外光电器件、微波器件等领域有着广阔的应用前景。氧化镓材料具有五种常见的晶相，分别为α、β、γ、ε、δ，其中亚稳相α-Ga₂O₃在氧化镓材料家族中表现出更大的禁带宽度 (5.3 eV)、更高的击穿场强 (10 MV/cm) 以及更优异的巴利加优值 (6276)，近年来吸引了业界内的广泛关注。目前，用于制备α-Ga₂O₃的方法主要包含Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE)，Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD)，Molecular Beam Epitaxy (MBE) 以及Mist Chemical-Vapor Deposition (Mist-CVD) 等方法。其中Mist-CVD方法由于设备结构简单、搭建成本与维护成本低、安全可靠等特点常应用于α-Ga₂O₃外延膜的制备。然而，过低的生长速率限制了未来α-Ga₂O₃外延膜的商业化应用，外延膜质量也有待进一步提高。

近日，山东大学陶绪堂教授课题组在2英寸蓝宝石衬底上通过Mist-CVD方法制备出高质量α-Ga₂O₃外延膜。他们在该工作中系统研究了衬底安装位置对α-Ga₂O₃外延膜生长速率的影响以及生长温度对α-Ga₂O₃外延膜晶体质量的影响。结果表明，降低蓝宝石衬底的安装位置能够减缓前驱体在传输过程中的损耗，有效提升α-Ga₂O₃外延膜的生长速率，最快可达1.45 μm/h。通过优化生长温度，在α-Ga₂O₃外延膜中有效抑制了其它晶相的出现，提升α-Ga₂O₃外延膜晶体质量。2英寸α-Ga₂O₃外延膜不同区域(0006)面摇摆曲线半峰宽在73-89 arcsec之间，表现出良好的晶体质量均匀性。

通过Mist-CVD方法实现快速制备高质量α-Ga₂O₃外延膜，对促进α-Ga₂O₃外延膜未来实现商业化应用起到了积极作用。

改文章以题为“Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga₂O₃ films by Mist-CVD method”发表在Journal of Semiconductors上。

图2. (a) 2英寸α-Ga₂O₃外延膜点位分图 (p1-p5)。(b) p1-p5点位α-Ga₂O₃(0006)晶面摇摆曲线。

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Rapid epitaxy of 2-inch and high-quality α-Ga₂O₃ films by mist-CVD method

Xiaojie Wang, Wenxiang Mu, Jiahui Xie, Jinteng Zhang, Yang Li, Zhitai Jia, Xutang Tao

J. Semicond. 2023, 44(6): 062803  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062803

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氧化镓（Ga₂O₃）是一种超宽禁带的半导体材料。它的超宽带隙、高的巴利加优值、热稳定性强等优点使其在高功率电力电子器件、高温深紫外探测领域有强大的应用潜力。例如，它的超宽带隙使Ga₂O₃适合于制造用于UV-C辐射（波长低于280 nm）的日盲紫外探测器。此外，在自然界中，Ga₂O₃存在五种不同的晶体结构（α, β, ε, δ, γ），在这些结构中，β-Ga₂O₃（单斜晶系）的热稳定性是最好的，因而目前β-Ga₂O₃是各界主流的研究对象。但是由于在外延过程中，单晶β-Ga₂O₃薄膜的获得对结晶性能要求极高，因而大尺寸的β-Ga₂O₃单晶制备仍然极为困难。

近日，大连理工大学梁红伟教授课题组在c面蓝宝石上通过碳还原技术沉积了β-Ga₂O₃薄膜。根据XRD和SEM表征结果显示，该课题组获得了较高质量的β-Ga₂O₃薄膜。他们在该工作中系统研究了外延温度、氧气通量、碳粉与氧化镓粉末摩尔比对所得薄膜质量的影响。结果表明，外延过程存在着一个最适宜的温度。针对该生长系统，这个最适宜温度是1050 ℃。温度低于该值时，系统内产生的Ga₂O或Ga等气体不能高效率地移动到衬底处与系统内的氧气反应进而生成β-Ga₂O₃薄膜。而当温度过高时，分子或原子获得的动能足够大以至于它们不能彼此很好地结合，这同样不利于β-Ga₂O₃薄膜的生成。此外，氧气通量也是一个非常关键的影响因素。通过理论分析可以看出，氧气通量的增加有利于Ga₂O或Ga气体与之反应进而生成产物——Ga₂O₃。然而当系统内的氧气通量过多时，这会破坏蓝宝石衬底中氧原子与β-Ga₂O₃中氧原子间的平行关系，进而破坏生长过程。最后，通过调整碳粉的用量探究了反应物间不同摩尔比对β-Ga₂O₃薄膜质量的影响。综合考虑，该课题组认为1050 ℃、20 sccm O₂、碳粉与Ga₂O₃粉末摩尔比10 : 1为最适宜的外延参数，在该参数下，反应2h，获得了25.32 μm厚的β-Ga₂O₃薄膜。

通过碳还原技术外延得到的β-Ga₂O₃薄膜，可以有效解决目前一些主流外延方法（如MOCVD、HVPE、MBE）所存在的有毒物质参与反应、设备昂贵、外延速率低等问题。这可以促进相关机构对β-Ga₂O₃薄膜的研究，为我国超宽禁带半导体材料的发展奠定基础。

该文章以题为“Investigation of β-Ga₂O₃ thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction”发表在Journal of Semiconductors上。

图2. 碳粉与Ga₂O₃粉末不同摩尔比情况下得到的β-Ga₂O₃薄膜的XRD，(a) 20 : 1, (b) 10 : 1, (c) 5 : 1。

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Investigation of β-Ga₂O₃ thick films grown on c-plane sapphire via carbothermal reduction

Liyuan Cheng, Hezhi Zhang, Wenhui Zhang, Hongwei Liang

J. Semicond. 2023, 44(6): 062804  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062804

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氧化镓（Ga₂O₃）的禁带宽度约为4.2-4.9 eV，对应能量的光子波长为253-295 nm，可以实现日盲区的全覆盖，为天然日盲探测材料。目前Ga₂O₃单晶衬底的成本居高不下，Ga₂O₃纳米材料制备探测器工艺过程复杂，难以批量制作，Ga₂O₃薄膜基日盲探测器最具商业应用前景。射频磁控溅射法制备Ga₂O₃薄膜具有薄膜生长速度快、工艺成本低、成膜质量好，环境污染少等优势，适合大规模使用。然而，磁控溅射法制备的薄膜为非晶或多晶，非晶态Ga₂O₃薄膜电阻率高，所制日盲探测器件的光电流小，限制了器件的响应度等性能参数，Sn掺杂是提高Ga₂O₃薄膜基日盲探测器响应度的有效途径，但同时会降低其选择性。

近日，西安邮电大学陈海峰教授课题组使用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备出了Sn掺杂Ga₂O₃薄膜，研究了退火气氛对薄膜日盲探测性能的影响。结果表明，Sn掺杂后，Ga₂O₃日盲探测器对254 nm紫外光的响应度显著提高，而同时对365 nm紫外光也有了较明显的响应。经氮气气氛退火的Sn掺杂Ga₂O₃基器件性能最优，对254 nm紫外光的响应明显，在20 V电压下光电流为10 μA，暗电流为5.76 pA，光暗电流比达1.7 × 10⁶，响应度为12.47 A/W，外部量子效率为6.09 × 10³%，比探测率为2.61 × 10¹² Jones，响应、恢复时间分别为378 ms和90 ms。器件的一致性、稳定性和重复性能够达到应用要求，响应度和选择性还需通过优化薄膜制备和退火工艺进一步提升。

探索退火工艺条件，进一步提高薄膜的结晶质量，对促进Ga₂O₃日盲探测器的性能指标和商业应用起到了积极的作用。

该文章以题为“Preparation of Sn doped Ga₂O₃ thin films and their solar blind photoelectric detection performance”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Preparation of Sn-doped Ga₂O₃ thin films and their solar-blind photoelectric detection performance

Lijun Li, Chengkun Li, Shaoqing Wang, Qin Lu, Yifan Jia, Haifeng Chen

J. Semicond. 2023, 44(6): 062805  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062805

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氧化镓（Ga₂O₃）以其优异的性能受到了世界各国的关注和研究，已成为继氮化镓、碳化硅之后新的研究热点。Ga₂O₃禁带宽度约4.9 eV，在深紫外光探测和高功率电子器件方面具有潜在的应用价值。目前，基于不同形式Ga₂O₃的日盲紫外探测器的研究被广泛报道，包括体材料、薄膜和微纳结构。Ga₂O₃薄膜可以通过多种方法生长，但晶体质量仍有待提高。

近期东北师范大学李炳生教授课题组利用化学气象沉积的方法制备了大尺寸、高结晶质量的Ga₂O₃微米线，并研究了微米线基光电导型器件对深紫外光的探测性能。研究团队利用碳热还原氧化的方法成功制备了大尺寸Ga₂O₃微米线（图1）。微米线长度可达1 cm，表面光滑，截面呈四边形。随后对微米线的光电探测性能进行了测试，显示其对日盲紫外光有明显的响应特性（图2）。得益于材料的高质量，在10 V偏压下，器件暗电流低至0.1 nA，日盲可见比可达5.8 × 10⁵，表现出优异的光电探测性能。本研究结果对高质量Ga₂O₃基微纳米光电子器件的制备提供了重要的借鉴。

该文章以题为“Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga₂O₃ microwires”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a-b) Ga₂O₃微米线照片。(c-d) Ga₂O₃微米线的SEM图像。

图2.（a）Ga₂O₃微米线暗态和250 nm光照下的I-V曲线。（b）Ga₂O₃微米线在10 V偏压下的光响应谱。（c）Ga₂O₃微米线在10 V偏压下的探测率谱。

文章信息：

Preparation and photodetection performance of high crystalline quality and large size β-Ga₂O₃ microwires

Yuefei Wang, Yurui Han, Chong Gao, Bingsheng Li, Jiangang Ma, Haiyang Xu, Aidong Shen, Yichun Liu

J. Semicond. 2023, 44(6): 062806  doi: 10.1088/1674-4926/44/6/062806